NO334578B1 - System for målinger med perler - Google Patents

Abstract

Et system tilveiebringes for målinger med en eller flere sensorer omfattende minst en signalleder (11), og minst en perle (20), idet perlen omfatter middel (22, 23, 24, 25 og 26) for å endre en impedansemistilpasning med en ytre miljøpåvirkning.

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Teknisk område

Oppfinnelsen angår målesystem generelt og nærmere bestemt et system for målinger med en eller flere sensorer.

Bakgrunnsteknikk

Det er et ønske om å måle temperaturer over større områder, spesielt temperaturer der en varmekabel er anbrakt. Selv om en gjennomsnittstemperatur er innenfor akseptable grenseverdier, kan lokale områder med skadelige temperaturer oppstå. Dette er typisk der klær eller tykke tepper ligger oppå et gulv oppvarmet med varmekabler. Typiske former for skade er skade på varmekabelen eller skade på gulvmaterialet.

Fra den kjente teknikk skal det vises til varmekabler med negativ termisk koeffisient, det vil si varmekabler med en motstand som endres i forhold til varmekabelens temperatur slik at en økning i varmekabelens temperatur resulterer i en reduksjon i varmekabelens effekt. Dette systemet fungerer der temperaturen er jevn, men små lokale områder med forhøyet temperatur vil derimot ikke kompenseres tilstrekkelig, et problem som oppstår eksempelvis på badegulv der et tykt håndkle ligger på gulvet. Temperaturen kan da stige så mye at varmekabelen skades eller får sin levetid redusert.

Det skal også vises til distribuerte systemer der små sensorer tilnyttet varmekabelen måler temperaturen og kommuniserer over et datanettverk, typisk i form av seriekommunikasjon. Dette overvinner de overnevnte problemer, til gjengjeld er kompleksiteten og kostnadene betydelige. For det første betyr dette at en trenger elektronikk på hvert eneste målepunkt, og en trenger minst 2 ledere for kommunikasjon, typisk jordleder og leder for et signal overlagt en strømforsyning til hvert målepunkt. Dersom ett målepunkt settes ut av funksjon, risikerer man at kommunikasjonen mellom sensorene blir helt eller delvis satt ut av funksjon. Dersom jordleder eller leder for signalet blir skadet, kan alle målepunkter kunne settes ut av funksjon.

Fra den kjente teknikk skal det vises til GB 1465515 vedrørende temperaturmåling ved impedansendring grunnet faseendring i ferromagnetiske materialer, og EP0274836 vedrørende temperaturmåling ved måling av impedansmistilpasning.

Det er derfor et behov for et produkt som løser de overnevnte problemer.

Formålet med oppfinnelsen

Målet med oppfinnelsen å stille til disposisjon et system for målinger med en eller flere sensorer, typisk i forbindelse med varmekabler. Det er ønskelig at sensorene er enkle i fremstilling og pålitelige i bruk.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Med oppfinnelsen tilveiebringes således system for målinger med en eller flere sensorer kjennetegnet ved et system for målinger med en eller flere sensorer,karakterisert vedå omfatte minst en signalleder, og minst en perle, idet perlen omfatter middel for å endre en impedansmistilpassning med en ytre miljøpåvirkning

Fordelaktige og foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen er angitt i underkravene.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse anbringes en eller flere måleenheter, her kalt perler, ved eller fortrinnsvis rundt en leder, typisk en varmekabel. Hver perle omfatter en isolator nærmest lederen, idet isolatoren fortrinnsvis har en høy termisk ekspansjonskoeffisient. Utenfor isolatoren på motsatt siden av lederen er et elektrisk ledende materiale anbrakt kalt reflektor.

De midler som trengs for å løse problemene

Den foreliggende oppfinnelse når det mål som er satt opp ovenfor ved et system for målinger med en eller flere sensorer som beskrevet i krav 1.

Mer spesifikt oppnås dette ved å tilveiebringe et system omfattende minst en signalleder og minst en perle omfattende en isolator og et middel for å endre en impedansmistilpassning som varierer med en ytre miljøpåvirkning, typisk temperatur. Dette middel er typisk en isolator med en høy positiv eller negativ termisk ekspansjonskoeffisient, men også andre midler er mulige så som strukturer benyttet i termostater i form av bimetallisk arm.

Kort beskrivelse av tegningene

Fig. 1 viser en oversikt av typisk utførelse av oppfinnelsen.

Fig. 2a viser oppbygningen av en perle i en foretrukket utførelsesform.

Fig. 2b viser oppbygningen av en perle i en alternativ utførelsesform, der en bimetallisk arm endrer amplituden for et reflektert signal. Fig. 2c viser oppbygningen av en perle i en alternativ utførelsesform, der en bimetallisk arm endrer fasen for et reflektert signal. Fig. 3 viser signalgangen i en utførelsesform med flere perler på en varmekabel. Fig. 4 vider signalgangen i en utførelsesform med flere perler på to sammenkoblede varmekabler.

Følgende henvisningstall og -tegn viser til tegningene:

Terminologi

Et første ordens reflektert signal er et signal som er reflektert av en perle som blir påtrykket et utsendt signal.

Et andre ordens reflektert signal er et signal som er reflektert av en perle som blir påtrykket et første ordens reflektert signal.

Nærmere beskrivelse av oppfinnelsen

Grunnprinsippet for oppfinnelsen er at en ledende gjenstand nær en signalleder endrer lokalt impedansen i signallederen. Der signallederen ellers er uniform, vil den lokalt endrede impedansen utgjøre en impedansmisstilpasning som i sin tur gir opphav til en refleksjon for et signal som går langs signallederen. Graden av refleksjon er avhengig av impedansmistilpassningen som i sin tur er avhengig av størrelsen til den ledende gjenstand samt avstanden mellom den ledende gjenstand og signallederen.

Oppfinneren er kommet til at ved å anbringe en måleenhet i form av en ledende gjenstand, typisk i form av en kappe, skilt med en isolator med fortrinnsvis stor termisk ekspansjonskoeffisient fra en signalleder, vil målinger av refleksjoner av signaler sendt ut på signallederen gi en temperaturindikasjon for området nær kappen og isolatoren. Siden avstanden mellom sender og mottaker av signalene på den ene siden og måleenheten på den andre siden relateres til halvparten av signalhastigheten i signallederen og tidsforsinkelse mellom utsendelse og mottak av signalet, betyr dette at en kan anbringe flere målepunkter langs signallederen og kunne skille refleksjonen fra hvert målepunkt fra hverandre. Dette kan på en gunstig måte kombineres med en varmekabel som signalleder hvor målepunktene vil kunne varsle om for høy temperatur langs kabelen.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningsfigurene som viser flere utførelseseksempler.

Beste måte å utføre oppfinnelsen på

Fig. 1 viser skjematisk en oversikt av typisk utførelse av oppfinnelsen, der et målesystem 10 omfatter en varmekabel 11 påmontert minst en måleenhet kalt en perle 20. En kontrollenhet 30 er koblet til varmekabelen 11 og påtrykker en effekt på denne til oppvarming. Kontrollenheten sender også ut pulser eller høyfrekvente signaler og måler refleksjonene fra den minst ene perle 20 for å overvåke temperaturen for den minst ene perle og redusere den påtrykte effekt dersom temperaturen overstiger en definert øvre temperatur. Varmekabelen fungerer derfor også som en signalleder. Fig. 2a viser skjematisk oppbygningen av en perle 20 i en foretrukket utførelsesform, omfattende gjennomføring 21 for en signalleder, typisk i form av en varmekabel 11.

Utenpå gjennomføringen 21 er en isolator 22 anbrakt. Det er en fordel at isolatoren 22 ligger tett og uniformt rundt varmekabelen 21 slik at refleksjonene forekommer i et intervall felles for alle perler slik at man oppnår god oppløsning for en felles forsterkning av refleksjonene. Det er også en fordel at isolatoren har tilstrekkelig mekanisk stabilitet slik at parametrer ikke endres over tid eller når varmekabelen anbringes i en støp eksempelvis under et baderomsgulv. Samtidig er det en fordel at isolatoren er valgt med en høy termisk ekspansjonskoeffisient, positiv eller negativ, slik at endring i impedans er stor nok til å være målbar.

Utenpå isolatoren 22 er en reflektor 23 anbrakt, en ledende gjenstand som gir opphav til en impedansmistilpassning for signallederen. Reflektoren må være tilstrekkelig formbar slik at den følger isolatoren når denne ekspanderer. Dette kan oppnås ved enten å bruke et mykt materiale, eventuelt et materiale som er skåret i en form som gir den en fjærende virkning.

Utenpå reflektoren 23 anbringes en kappe 24 som har til hensikt å beskytte perlen ovenfor utilsiktede mekaniske påkjenninger så vel som forhindre fuktinntrengning hvilket kan gi opphav til betydelig absorpsjon og derved dempning av signal så vel som reflektert signal. Under produksjon er det derfor en fordel at kabelen fremstilles på en måte som beskytter perlene mot utilsiktet fuktinntrengning.

Fig. 3 viser signalgangen i en utførelsesform med flere perler på en varmekabel. Signalgenerator 32 sender et signal ut i kabelen, der signalet er overlagret den påtrykte effekt. En refleksjon av signalet finner sted i en perle 20 og et refleksjonssignal sendes fra perlen i motsatt retning av signalet. Et redusert signal fortsetter videre og en ny refleksjon finner sted i neste perle. For hvert utsendt signal oppstår det et sett reflekterte signaler som mottas av en refleksmåler via en kobler 34, typisk i form av en direktiv signalkobler som kjent fra RF-teknikk.

Det er ønskelig at refleksjonen er liten sammenliknet med det signalet som ankommer en perle. I det følgende blir det for enkelthets skyld tatt utgangspunkt i en refleksjon på 1 prosent og at absorpsjonen er ubetydelig.

For det første betyr dette at det utsendte signal vil propagere langs signallederen med lite tap. Første perle blir påtrykket et signal på 100 prosent av det utsendte signal, mens påfølgende perle blir påtrykket et signal tilsvarende 99 prosent av det påtrykte signal. Dette betyr også at det første reflekterte signal av det reflekterte signal av det utsendte signal, her kalt andre ordens reflekterte signal, er 1 prosent av en prosent. Dette utgjør 1 - 2 bit i en 8-bits analog-til-digitalomformer, her kalt ADC, der det fulle dynamiske spenn tilsvarer signalet for den første refleksjon fra den første perle. Dersom andre ordens reflekterte signal, og dermed også høyere ordens reflekterte signal, ansees som ubetydelige sammenliknet med det reflekterte signal av det utsendte signal, kan signalet påtrykket en perle da forenkles til

der

Sp = signalet påtrykket perle nummer p regnet fra signalgeneratoren der p=0 er første perle

So = signalet sendt ut fra signalgeneratoren og påtrykket perle nummer 0, hvilket er den første perle

r = refleksjonskoeffisient, her satt til 1 prosent

p = indeks for perle der p=0 er første perle, dvs. første perle regnet fra signalgeneratoren

Gitt at r er 1 prosent, betyr dette at signalet Sioomottatt i perle 100 er ca. 36 prosent, dvs. at refleksjonen er ca. 36 prosent av refleksjonen fra den første perle. Denne refleksjon vil dempes på sin vei tilbake til refleksmåleren ned til kvadratet av dette, dvs. ca. 13 prosent av refleksjonen fra den første perle. Dette er fortsatt et høyere nivå enn støy fra andre ordens reflekterte signaler.

For det andre betyr en lav grad av refleksjon at første ordens reflekterte signaler propagerer med ubetydelig tap og at andre og høyere ordens reflekterte signaler, hvilke utgjør støy i målesammenheng, er ubetydelige.

Siden S0er såpass mye større enn refleksjonen fra Si, er det ønskelig å skille signalene slik at signalgeneratoren 32 ikke overbelaster refleksmåleren 33. Dette gjøres fortrinnsvis med en direktiv kobler.

Refleksmåleren måler derfor hovedsaklig et første ordens reflektert signal fra hver enkel perle, der signalenes separasjon i tid relateres til den romlige separasjon langs signallederen. Under kalibrering, der alle perler holdes på en kjent temperatur, vil refleksmåleren måle refleksjonen fra perlene. Dersom en refleksjon går over eller under en gitt terskel, reduseres effekten påtrykt varmekabelen for på den måte å beskytte den mot overoppheting.

Signalet påtrykket signallederen kan være enkeltstående pulser så vel som et radiofrekvenssignal. Enkeltstående pulser er teknisk sett enkle å skape så vel som måle, men ulempen er at signalenergien er begrenset. Ved isteden å bruke sveipende radiofrekvenssignaler og mikse det påtrykte signal sammen med det mottatte reflekterte signal, vil man få en serie topper i et frekvensdiagram, der hver topp representer en perle. Selv om dette øker kompleksiteten betraktelig, vil en til gjengjeld ha større energier til rådighet for mer avanserte metoder for signalprosessering som er kjente for fagmannen innen signalprosessering, så som former for Fouriertransformasjon og gj ennomsnittstaking.

Signallederen kan utstyres med en terminator for å forhindre sterke refleksjoner fra enden av signallederen. Dette kan utføres som kjent fra eksempelvis høyhastighets databusser som eksempelvis SCSI.

Variasjoner i utførelsesform

En kan tenke seg flere variasjoner av det overnevnte som likevel faller inn under hovedprinsippet for oppfinnelsen.

I den foretrukne utførelsesform benyttes en isolator med en definert termisk ekspansjonskoeffisient til å endre en impedansmistilpasning. En kan tenke seg at denne isolator erstattes med en bimetallisk arm 25 som kjent fra termostater, der armens ytterpunkt 26 varierer an avstand til signallederen basert på armens temperatur, som vist i fig. 2b. Armen kan også utføres ved bruk av ikke-metalliske deler, så som plast av forskjellig termiske ekspansjonskoeffisienter. Alternativt kan armens 25 ytterpunkt 26 variere langs signallederen for på den måte modulere fase isteden for amplitude for det reflekterte signal, hvilket er vist i fig. 2c. Med den økede kompleksitet som dette medfører vil en til gjengjeld kunne oppnå en større endring i det reflekterte signal.

Den bimetalliske struktur kan utføres som et mikroelektromekanisk system (MEMS) utført med typiske halvlederprosesser i eksempelvis silisium. En utførelse som MEMS gir ytterligere muligheter til å integrere et filter som gjør at perlen gir en respons på et forhåndsbestemt frekvensbånd. Et slikt system kan festes til varmekabelen med direkte elektrisk forbindelse, ofte kalt vampyrkobling. Dette gir stor grad av uniformitet i produksjonen, enkel montering under produksjon og på grunn av de små avstandene også en mulighet for høy følsomhet grunnet store endringer i refleksjonskoeffesient med endringer i temperaturen.

Selv om isolatoren benyttet i den foretrukne utførelsesform er basert på en termisk ekspansjonskoeffisient, kan en også tenke seg å benytte et materiale som har en faseovergang i det temperaturområdet en ønsker å overvåke en endring for.

Det kan også være en fordel å utstyre perlen med et materiale med en termisk ekspansjonskoeffisient, her kalt opptaker, med motsatt fortegn av isolatoren 22, for på den måten holde perlens 20 volum nær konstant.

En kan også tenke seg at isolatoren endrer egenskaper ikke bare basert på temperatur, men også basert på trykk, deformasjon eller kjemisk påvirkning, eksempelvis fukt. Kjemisk påvirkning kan gjøres selektiv ved at gjennomføringen 21 gjøres permeabel for spesifikke kjemiske stoffer, og at isolatoren 22 eksempelvis sveller opp ved absorpsjon eller reaksjon med den kjemiske påvirkning.

En kan også benytte perler av forskjellige slag i samme system.

Systemet kan også benyttes med flere sammenkoblede signalledere, i hvilket tilfelle det er en fordel at perlene plasseres på en slik måte at de første ordens reflekterte signaler ikke overlapper i en slik grad at de ikke kan oppløses. Dette vises i fig. 4 der 2 sammenkoblede signalledere benyttes. Signalgang i øverste signalleder 11 indikeres med fylte piler, mens signalgang i nederste signalleder 11 indikeres med skraverte piler. Som det fremgår vil en posisjonsforskyvning mellom signallederne 11 resultere i at de reflekterte signaler, her indikert med piler pekende mot venstre, lett lar seg oppløse i tid, for derved å muliggjøre identifisering av hvilket reflekterte signal som tilhører hvilken signalleder.

Ved å benytte perler med forskjellig frekvensrespons kan man ha enda flere sammenkoblede signalledere uten overlapping av første ordens reflekterte signaler.

Industriell anvendbarhet

Oppfinnelsen finner anvendelse ved distribuerte målesystemer, det vil si der en ønsker å gjøre målinger over flere lokale områder. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en rekke fordeler fremfor den kjente teknikk:

- perlene er enkle i oppbygging, fremstilling og plassering

- perlene krever ikke lokal strømforsyning, men benytter energien i signalet i signallederen, hvilket reduserer behovet for ekstra signalledere - en defekt perle trenger ikke å ødelegge målinger fra andre perler, hverken foran eller bak sett fra signalgeneratoren 32 - manglende eller feilplasserte perler vil ikke ødelegge funksjonaliteten i systemet annet enn å ikke gi et måleresultat for området der perlen skulle ha vært plassert

På denne måte er systemet egnet for bruksområder der høy pålitelighet er påkrevd.

Claims (4)

1. System for målinger med en eller flere perler,karakterisert ved: en signalleder (11), idet systemet videre omfatter: minst en måleenhet kalt perle (20), idet perlen omfatter middel (22, 23, 24, 25 og 26) for å endre en impedansmistilpasning i form av en reflektor, med en ytre miljøpåvirkning, idet den ytre miljøpåvirkningen endrer minst en av størrelse og avstand mellom reflektoren og signallederen, der endringen igjen gir en endring av impedansmistilpasning, som igjen endrer grad av refleksjon.

2. System ifølge krav 1,karakterisert vedat middel for å endre en impedansmistilpassning omfatter: en isolator (22), og en reflektor (23), idet reflektoren er anbrakt utenpå isolatoren og at isolatoren endrer en størrelse med en miljøpåvirkning.

3. System ifølge krav 1,karakterisert vedat middel for å endre en impedansmistilpassning omfatter: en bimetallisk arm (25) omfattende et ytterpunkt (26), idet en temperaturendring vil bevege ytterpunktet i forhold til signallederen (11).

4. Fremgangsmåte for målinger med en eller flere sensorer,karakterisert vedå omfatte: utsendelse av et utsendt signal fra en signalgenerator (32) på en signalleder (11) mottak av en refleksmåler (33) av minst et første ordens reflektert signal, reflektert av en måleenhet kalt perle, som blir påtrykket det utsendte signal, idet perlen omfatter middel (22, 23, 24, 25 og 26) for å endre en impedansmistilpassning med en ytre miljøpåvirkning idet den ytre miljøpåvirkningen endrer minst en av størrelse og avstand mellom reflektoren og signallederen, der endringen igjen gir en endring av impedansmistilpasning, som igjen endrer grad av refleksjon.