PL247690B1 - Bezprzewodowy pasywny sensor do zdalnego pomiaru temperatury obiektu oraz system i sposób zdalnego pomiaru temperatury obiektu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest bezprzewodowy pasywny sensor do zdalnego pomiaru temperatury obiektu charakteryzuje się tym, że stanowi go mikropaskowa antena rezonansowa (3) obciążona elementem termoczułym (4) będącym w kontakcie termicznym z badanym obiektem. System zdalnego pomiaru temperatury obiektu zawiera sensor będący w kontakcie termicznym z badanym obiektem oraz blok pomiarowy posiadający moduł kontroli i przetwarzania zintegrowany z modułem nadawczo-odbiorczym oraz moduł interfejsu użytkownika połączony dwukierunkowo z modułem kontroli i przetwarzania. Sposób zdalnego pomiaru temperatury obiektu charakteryzuje się tym, że pomiary temperatury wykonuje się za pomocą bezprzewodowego pasywnego sensora w postaci mikropaskowej anteny rezonansowej (3) obciążonej elementem termoczułym (4), który umieszcza się na obiekcie tak, aby element termoczuły (4) był w kontakcie termicznym z obiektem, emituje się sygnał nadawczy (E1) w kierunku sensora w paśmie obejmującym częstotliwość rezonansową mikropaskowej anteny rezonansowej (3), a dla mierzonego i analizowanego sygnału odbitego (E2) wyznacza się charakterystyki dopasowania, porównuje z charakterystykami referencyjnymi uzyskanymi podczas kalibaracji i na podstawie danych z etapu kalibracji przyporządkowuje się im wartości temperatury.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest bezprzewodowy pasywny sensor do zdalnego pomiaru temperatury obiektu oraz system i sposób zdalnego pomiaru temperatury obiektu. Ma on zastosowanie przy pomiarach temperatury w trudno dostępnych środowiskach, obiektach, w szczególności gdy istnieje potrzeba ciągłego monitorowania temperatury obiektu, a także alarmowania stanów niebezpiecznych.

Znane rozwiązania dotyczące pomiarów temperatury oparte są na różnego rodzaju czujnikach połączonych w różny sposób z układami pomiarowymi. Czujnikami są elementy, których właściwości, parametry zmieniają się pod wpływem zmian temperatury, a układy pomiarowe przekształcają wartości tych parametrów na temperaturę obiektu. Sensory i metody pomiarowe można klasyfikować w różny sposób, w zależności od przyjętych kryteriów podziału. Pomiar może być realizowany w sposób kontaktowy, gdy czujnik styka się z badanym obiektem, albo bezkontaktowy - oparty na pomiarze promieniowania emitowanego przez obiekt. W czujnikach kontaktowych wykorzystywana jest zmiana pod wpływem temperatury określonych parametrów, np. w termometrach - zmiana objętości płynu, w termistorach - zmiana rezystancji, w termoparach - zmiana napięcia elektrycznego na styku dwóch metali. Czujniki aktywne wymagają połączenia ze źródłem energii, natomiast czujniki pasywne nie wymagają zasilania. Przykładem pomiarów bezkontaktowych jest pirometria, czyli pomiary opierające się na analizie promieniowania cieplnego emitowanego przez badany obiekt. W metodach przewodowych czujnik będący w kontakcie z badanym obiektem wymaga połączenia przewodowego z układem pomiarowym, natomiast systemy bezprzewodowe nie wymagają połączenia kablowego między sensorem i układem pomiarowym. Systemy takie umożliwiają zdalny pomiar temperatury za pomocą sensora będącego w kontakcie termicznym z badanym obiektem. Wiele znanych systemów zdalnego pomiaru temperatury zawiera czujniki z wbudowanymi elektrycznymi elementami, albo źródłami zasilania, które są podatne na uszkodzenia pod wpływem temperatury, co ogranicza ich temperaturowy zakres pracy.

W publikacji patentowej US8342745B2 ujawniono aparaturę i metodę do pomiaru temperatury. Rozwiązanie przewiduje użycie zbioru pasywnych indywidualnych elementów pomiarowych, które mają co najmniej jeden mierzalny fizyczny parametr zależny od temperatury, różny dla różnych elementów. Elementy te układa się w postaci tablicy tak, że cała tablica podczas pomiaru znajduje się w tej samej temperaturze. Określa się wartości parametrów wszystkich elementów zanim zostaną poddane działaniu mierzonej temperatury, następnie umieszcza się całą tablicę elementów pomiarowych w obszarze mierzonej temperatury i określa wartości parametrów wszystkich elementów w tablicy, a następnie porównuje wartości parametru z pierwszego i drugiego pomiaru dla każdego elementu z każdym innym elementem. Rozwiązanie to nie umożliwia ciągłych pomiarów temperatury w czasie rzeczywistym.

Jedne z nowszych metod i systemów pomiaru temperatury wykorzystują jako pasywne sensory mikrofalowe periodyczne struktury rezonansowe. W metodach tych wykorzystuje się zmianę właściwości filtrujących sensora w zależności od temperatury. Metoda polega na emitowaniu w kierunku takiego sensora elektromagnetycznego sygnału mikrofalowego i obserwacji widma sygnału transmitowanego przez tę strukturę - metoda transmisyjna, albo sygnału odbitego od tej struktury - metoda odbiciowa. W zależności od kształtu wzoru, struktura może odbijać bądź transmitować sygnał na różnych częstotliwościach. Przykładowo sygnał może być odbijany na jednej częstotliwości, tzw. częstotliwości rezonansowej, a na pozostałych częstotliwościach transmitowany albo selektywnie może być transmitowana jedna częstotliwość rezonansowa, a odbijane wszystkie pozostałe. Mikrofalowe periodyczne struktury rezonansowe mogą mieć jedną albo więcej częstotliwości rezonansowych. Pod wpływem temperatury następuje zmiana wymiarów struktury, co powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej. Po wykalibrowaniu takiego sensora, analiza widma sygnału transmitowanego albo odbitego, pomiar jego częstotliwości rezonansowej, a także innych wybranych parametrów, umożliwia pomiar temperatury obiektu.

Znany jest ze zgłoszenia patentowego opublikowanego pod numerem US2010/0290503 pasywny bezprzewodowy sensor umożliwiający zdalny pomiar temperatury. Ujawniony sensor posiada sąsiadujące ze sobą elementy wrażliwe na temperaturę i elementy selektywne częstotliwościowo. Elementy selektywne częstotliwościowo mają określoną częstotliwość rezonansową i rozpraszają część sygnału padającego na sensor w pobliżu jego częstotliwości rezonansowej. Sygnał rozproszony jest tłumiony w różnym stopniu w funkcji temperatury, w jakiej znajduje się czujnik. W publikacji ujawniono różne wzory warstwy selektywnej częstotliwościowo, w szczególności krzyżykowe, a także różne wzajemne usytuowanie warstw selektywnych częstotliwościowo i warstw podłoża wrażliwych na temperaturę, a także wpływ wzoru i ułożenia warstw na parametry rezonansu. W szczególności ujawniono wariant z jedną warstwą podłoża i jednakowymi warstwami selektywnymi częstotliwościowo po jego obu stronach oraz wariant, w którym warstwa selektywna częstotliwościowo znajduje się pomiędzy dwoma warstwami podłoża.

Z publikacji polskiego zgłoszenia patentowego P.431984 znane jest rozwiązanie wykorzystujące mikrofalową strukturę selektywną częstotliwościowo do zdalnego pomiaru temperatury. Pasywny sensor ma na podłożu dielektrycznym warstwę obwodów mikrofalowych w postaci równo rozmieszczonych pasów przewodnika o ściśle określonych wymiarach, które tworzą selektywną strukturę o częstotliwości zaporowej 16,4 GHz zmieniającej się o 0,825 MHz przy zmianie temperatury o 1°K. Układ pomiarowy zawiera pasywny sensor, urządzenia emitujące i odbierające promieniowanie mikrofalowe połączone przewodowo z układem elektronicznym zawierającym generator sygnału mikrofalowego i analizator sygnału mikrofalowego, przy czym sensor znajduje się pomiędzy urządzeniem emitującym sygnał i urządzeniem odbierającym sygnał. Metoda polega na emitowaniu sygnału mikrofalowego w kierunku sensora i odbieraniu po drugiej stronie sygnału transmitowanego przez sensor, w którym stłumiona została częstotliwość zaporowa. Pierwszym etapem jest kalibracja sensora, która polega na umieszczaniu sensora w znanych temperaturach, emitowaniu w kierunku sensora sygnału mikrofalowego, odbieraniu po drugiej stronie sensora sygnału transmitowanego i jego analizie w celu określenia jego parametrów, w szczególności określa się częstotliwość odpowiadającą maksymalnej tłumienności. Powtarzając pomiar dla wielu różnych znanych temperatur wyznacza się funkcję zależności między częstotliwością tłumioną a temperaturą, która może być liniowa albo nieliniowa. W następnym etapie przeprowadza się pomiar właściwy: sensor umieszcza się we wnętrzu obiektu o nieznanej temperaturze, generowany w zadanym paśmie sygnał mikrofalowy jest emitowany w kierunku sensora, a po drugiej stronie odbierany jest sygnał transmitowany przez sensor, którego parametry mierzy się i analizuje. Wyznaczana jest częstotliwość odpowiadającą maksymalnej tłumienności i na podstawie wyznaczonej wcześniej charakterystyki kalibracyjnej określa się temperaturę odpowiadającą tej częstotliwości.

Znany jest z publikacji patentowej EP3115760A1 sensor bezprzewodowy do zdalnego pomiaru temperatury w postaci anteny mikropaskowej obciążonej elementem termoczułym będącym w kontakcie z obiektem, którego temperatura jest mierzona. Antena mikropaskowa jest rezonansową anteną łatową, z metaliczną warstwą łaty i metaliczną warstwą GND na powierzchniach podłoża dielektrycznego izolującego te warstwy. Metaliczna warstwa łaty ma wyprowadzenie galwaniczne na stronę metalicznej warstwy GND anteny, izolowane galwanicznie od warstwy GND. Elementem termoczułym jest urządzenie wykorzystujące efekt SAW, które ma postać podłoża, w którym rozchodzi się powierzchniowa fala akustyczna, z umieszczonymi na nim elektrodami grzebieniowymi i reflektorem. Element termoczuły umieszczony jest od strony warstwy GND i połączony jest elektrycznie z warstwą GND oraz z warstwą łaty. W publikacji ujawnione są różnego rodzaju materiały, z których wykonane są poszczególne warstwy oraz różne konstrukcje i połączenia elementu termoczułego z anteną i z elementem, którego temperatura jest badana. Do pomiaru temperatury wykorzystywany jest pomiar czasu opóźnienia pomiędzy sygnałem pomiarowym wysyłanym w kierunku anteny przez urządzenie zewnętrzne i odbieranym sygnałem odpowiedzi. Pomiary realizowane są w systemie zawierającym blok pomiarowy połączony z anteną do emitowania i odbioru sygnałów mikrofalowych.

Bezprzewodowy pasywny sensor do zdalnego pomiaru temperatury obiektu według wynalazku ma postać mikropaskowej anteny rezonansowej obciążonej elementem termoczułym będącym w kontakcie termicznym z badanym obiektem, gdzie mikropaskowa antena rezonansowa jest anteną łatową, w której metaliczna warstwa łaty ma wyprowadzenie galwaniczne na stronę metalicznej warstwy GND anteny, izolowane elektrycznie od warstwy GND, a element termoczuły umieszczony jest od strony warstwy GND i połączony jest elektrycznie z warstwą GND oraz z warstwą łaty. Sensor według wynalazku charakteryzuje się tym, że elementem termoczułym jest termistor i/albo bimetal.

W korzystnym wariancie elementem termoczułym jest termistor połączony szeregowo z bimetalem.

W innym korzystnym wariancie elementem termoczułym jest termistor połączony równolegle z bimetalem.

Korzystnie warstwa łaty i warstwa GND mają obszary bez metalizacji w obrębie elementu termoczułego, z zachowaniem ścieżek do kontaktu elektrycznego z elementem termoczułym.

Sensor może być zaopatrzony w termowód stykający się jednym swym końcem z badanym obiektem, a drugim końcem, za pośrednictwem izolatora elektrycznego, z elementem termoczułym.

W jednym z wariantów sensora element termoczuły połączony jest z mikropaskową anteną rezonansową za pośrednictwem prowadnicy mikrofalowej.

System zdalnego pomiaru temperatury obiektu zawiera bezprzewodowy pasywny sensor w postaci mikropaskowej anteny rezonansowej obciążonej elementem termoczułym będącym w kontakcie termicznym z badanym obiektem oraz blok pomiarowy posiadający moduł nadawczo-odbiorczy elektromagnetycznego sygnału mikrofalowego z anteną lub antenami do wysyłania i odbioru sygnałów, w zasięgu których znajduje się bezprzewodowy pasywny sensor, moduł kontroli i przetwarzania wyposażony w środki obliczeniowe skonfigurowane do automatycznego przetwarzania sygnałów mikrofalowych i wyznaczania temperatury oraz moduł interfejsu użytkownika. Według wynalazku system charakteryzuje się tym, że elementem termoczułym jest termistor i/albo bimetal, a moduł kontroli i przetwarzania wyposażony jest w środki obliczeniowe do analizowania i wyznaczania parametrów charakterystyk dopasowania elektromagnetycznego sygnału mikrofalowego w czasie rzeczywistym.

Korzystnie system wyposażony jest w blok komunikacji połączony dwukierunkowo z blokiem pomiarowym i skonfigurowany do kontaktu z układem nadrzędnym.

W korzystnym wariancie systemu blok pomiarowy wyposażony jest w sygnalizator zadanych progów temperatury.

Sposób zdalnego pomiaru temperatury obiektu polegający na umieszczeniu bezprzewodowego sensora w kontakcie termicznym z badanym obiektem, którego temperatura jest mierzona, emitowaniu elektromagnetycznego mikrofalowego sygnału nadawczego w kierunku sensora i rejestracji sygnału odbitego od sensora, przy czym przed rozpoczęciem właściwych pomiarów dokonuje się kalibracji sensora, według wynalazku charakteryzuje się tym, że pomiary temperatury wykonuje się za pomocą bezprzewodowego pasywnego sensora w postaci mikropaskowej anteny rezonansowej obciążonej termistorem i/albo elementem bimetalicznym, który umieszcza się na obiekcie tak, aby termistor i/albo element bimetaliczny był w kontakcie termicznym z obiektem i emituje się sygnał nadawczy w kierunku sensora w paśmie obejmującym częstotliwość rezonansową mikropaskowej anteny rezonansowej, a dla mierzonego i analizowanego sygnału odbitego wyznacza się charakterystyki dopasowania, porównuje z charakterystykami referencyjnymi uzyskanymi podczas kalibracji i na podstawie danych z etapu kalibracji przyporządkowuje się im wartości temperatury. Na etapie kalibracji sensor umieszcza się w różnych znanych temperaturach i dla każdej z nich wyznacza się referencyjne przebiegi charakterystyk dopasowania sensora w zakresie częstotliwości obejmującym częstotliwość rezonansową.

Korzystnie porównuje się całe przebiegi wyznaczonych w czasie pomiaru charakterystyk dopasowania z całymi przebiegami referencyjnych charakterystyk dopasowania wyznaczonych na etapie kalibracji.

W innym wariancie do porównania wyznaczonych w czasie pomiaru charakterystyk dopasowania z referencyjnymi charakterystykami dopasowania wyznaczonymi na etapie kalibracji wykorzystuje się tylko wartość częstotliwości rezonansowej i głębokości rezonansu.

Najkorzystniej do określenia temperatury obiektu wykorzystuje się dodatkowo analizę dynamiki zmian w czasie charakterystyk dopasowania sygnału odbitego od sensora.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia bezpieczny, szybki i pewny zdalny pomiar temperatury oraz możliwość automatycznej sygnalizacji przekroczenia wartości granicznych temperatury, dla obiektów o dowolnych kształtach, wykonanych z różnych materiałów, zwłaszcza obiektów trudnodostępnych, obiektów znajdujących się w atmosferze uniemożliwiającej zastosowanie metod np. optycznych, albo w atmosferze stwarzającej ryzyko wybuchu. Wynalazek zapewnia dużą funkcjonalność, dzięki szybkiej reakcji sensora na zmiany temperatury, sprawnej wymianie energii cieplnej między obiektem i sensorem, nie wymagającej wykorzystania dużej powierzchni obiektu, a także możliwości zautomatyzowania procesu przetwarzania wyników pomiaru. Zaletą wynalazku jest również niewielka masa sensora mocowanego do badanego obiektu, nie powodująca jego niewywagi, co jest istotne np. dla takich obiektów jak korbowód. Dodatkowo wynalazek może być zastosowany do pomiarów temperatury obiektów ruchomych, gdy zmienia się w czasie pozycja sensora względem anteny emitującej i odbierającej sygnały pomiarowe.

Przykładowa realizacja rozwiązania według wynalazku zilustrowana jest rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie budowę sensora z termowodem, fig. 2 przedstawia schematycznie budowę sensora z termowodem i prowadnicą mikrofalową, fig. 3 przedstawia przykładowy sensor zamocowany na badanym obiekcie, fig. 4 pokazuje przykładową realizację warstwy łaty anteny rezonansowej, fig. 5 pokazuje przykładową realizację warstwy GND anteny rezonansowej, fig. 6 przedstawia w powiększeniu fragment warstwy GND z elementem termoczułym, fig. 7 pokazuje warianty połączeń termistora i bimetalu, fig. 8 przedstawia schemat systemu pomiarowego, fig. 9 przedstawia poglądową charakterystykę kalibracyjną, fig. 10 przedstawia poglądowe charakterystyki dopasowania, fig. 11 przedstawia rzeczywiste zmierzone charakterystyki dopasowania.

W przykładowej realizacji wynalazku bezprzewodowy pasywny sensor 1 do zdalnego pomiaru temperatury obiektu 2 ma postać mikropaskowej anteny rezonansowej 3 obciążonej elementem termoczułym 4 będącym w kontakcie termicznym z obiektem 2, którego temperatura jest badana. Mikropaskowa antena rezonansowa 3 zrealizowana jest jako antena łatowa, którą stanowi płaskie podłoże dielektryczne 3A pokryte z jednej strony metaliczną warstwą łaty 3B, a z drugiej strony - metaliczną warstwą GND 3C. W podłożu dielektrycznym 3A znajduje się metalizowany otwór przelotowy 5, wokół którego usunięta jest część metalizacji, zarówno w warstwie łaty 3B, jak i w warstwie GND 3C, tworząc obszary bez metalizacji 6. W warstwie łaty 3B metalizowane brzegi otworu przelotowego 5 połączone są elektrycznie z pozostałą metaliczną powierzchnią warstwy łaty 3B za pomocą wąskich ścieżek metalicznych na obszarze bez metalizacji 6. W ten sposób zrealizowane jest wyprowadzenie galwaniczne 7 warstwy łaty 3B na stronę warstwy GND 3C, za pomocą metalizowanego otworu przelotowego 5 połączonego galwanicznie z warstwą łaty 3B, ale izolowanego galwanicznie od warstwy GND 3C. W warstwie GND 3C obszar bez metalizacji 6 ma większą powierzchnię niż w warstwie łaty 3A. Przykładową geometrię warstwy łaty 3B i warstwy GND 3C pokazano na fig. 4 i fig. 5. Na warstwie GND 3C znajduje się element termoczuły 4 połączony elektrycznie z warstwą łaty 3B i warstwą GND 3C poprzez przylutowanie jednej jego końcówki do metalizowanych brzegów otworu przelotowego 5, a drugiej - do metalizacji warstwy GND 3C, jak pokazano na fig. 6. Obszary bez metalizacji 6 wokół elementu termoczułego 4 zapewniają minimalizację odpływu ciepła doprowadzanego do tego elementu, przykładowo termistora 4C. Element termoczuły 4 może być również dołączony do mikropaskowej anteny rezonansowej 3 nie bezpośrednio, lecz za pośrednictwem prowadnicy mikrofalowej 8, zrealizowanej przykładowo w postaci linii koplanarnej: element termoczuły znajduje się wtedy na płytce linii długiej zamocowanej i połączonej z płytką anteny od strony warstwy GND. Kontakt termiczny elementu termoczułego 4 z badanym obiektem 2 realizuje się bezpośrednio poprzez styk jego powierzchni z powierzchnią obiektu 2 albo za pośrednictwem termowodu 9. W przypadku zastosowania termowodu 9 - jeden jego koniec wprowadzony jest do wnętrza obiektu 2 i styka się z nim bezpośrednio, a drugi koniec styka się z elementem termoczułym 4 za pośrednictwem warstwy izolatora elektrycznego 10. Na fig. 1 pokazano schematycznie połączenia między poszczególnymi elementami sensora z termowodem 9 dla wariantu bez prowadnicy mikrofalowej, a na fig. 2 - z prowadnicą mikrofalową 8. Korzystne jest umieszczenie sensora w osłonie 11 będącej izolatorem cieplnym i elektrycznym. W przypadku wariantu bez termowodu 9 osłona 11 jest tak zrealizowana i mocowana do obiektu 2, aby element termoczuły 4 miał trwały kontakt cieplny bezpośrednio z powierzchnią obiektu 2 tylko za pośrednictwem cienkiej warstwy izolatora elektrycznego, np. kaptonu, natomiast w pozostałej części osłona 11 zapewniała izolację cieplną między obiektem 2 i mikropaskową anteną rezonansową 3. Mocowanie osłony 11 do obiektu 2 może być zrealizowane za pomocą dowolnych znanych środków technicznych, np. jako połączenie śrubowe, magnetyczne, klejone, kształtowe itp. W przypadku wariantu z termowodem 9, może on być umieszczony przykładowo wewnątrz trzpienia z gwintem zewnętrznym zespolonego z osłoną 11, który wkręcany jest do gwintowanego otworu w obiekcie. W takim przypadku termowód 9 styka się jednym swym końcem z miejscem „gorącym” w obiekcie, a drugim końcem doprowadza ciepło z tego miejsca do elementu termoczułego 4, w szczególności termistora 4A. W zależności od potrzeb, miejsca zastosowania i celu pomiarów temperatury, przykładowym elementem termoczułym 4 sensora 1 może być termistor 4A, bimetal 4B, a także termisor 4A i bimetal 4B połączone szeregowo albo równolegle, jak pokazano na fig. 7.

Działanie bezprzewodowego pasywnego sensora 1 według wynalazku opiera się na wykorzystaniu zmian charakterystyk dopasowania anteny rezonansowej obciążonej elementem termoczułym pod wpływem zmian temperatury elementu termoczułego. W przypadku zastosowania termistora lub bimetalu, pod wpływem temperatury zmienia się jego rezystancja, a tym samym rezystancja obciążenia anteny rezonansowej, co powoduje zmianę kształtu charakterystyk dopasowania anteny, w szczególności głębokości rezonansu anteny. Dla termistora zmiana rezystancji w funkcji temperatury jest ciągła i łagodna, czego wynikiem są łagodne zmiany charakterystyki dopasowania anteny, więc korzystne jest jego zastosowanie w celu ciągłej obserwacji zmian temperatury obiektu. Dla bimetalu istnieje pewna graniczna temperatura, dla której następuje skokowa zmiana rezystancji, w praktyce zwarcie-rozwarcie, powodująca łatwą do obserwacji skokową zmianę charakterystyki dopasowania anteny, co może być wykorzystywane np. do generowania alarmu przy przekroczeniu określonej temperatury. Połączenie termistora i bimetalu jako elementu termoczułego stanowiącego obciążenie anteny rezonansowej poszerza zakres zastosowania sensora. Natomiast zastosowanie termowodu jest szczególnie korzystne, gdy istotne jest wykrycie zmian temperatury w miejscu jej wystąpienia np. wewnątrz obiektu, a nie na jego powierzchni.

W przykładowej realizacji mikropaskowa antena rezonansowa 3A wykonana jest na podłożu dielektrycznym 3A będącym laminatem mikrofalowym o grubości 0.762 mm (30 mil) i wymiarach 30 x 40 mm, a elementem termoczułym 4 jest termistor w postaci elementu SMD 0603. Zakres mierzonych temperatur wynosi od ok. -40°C do ok. 300°C i zależy od doboru termistora. Mieści się w takim zakresie, w którym dynamika zmian rezystancji termistora w funkcji temperatury optymalnie modyfikuje charakterystykę dopasowania anteny rezonansowej.

System zdalnego pomiaru temperatury obiektu w przykładowej realizacji pokazanej na fig. 8 posiada następujące główne elementy składowe: bezprzewodowy pasywny sensor 1 będący w kontakcie termicznym z badanym obiektem 2 za pośrednictwem termowodu 9, blok pomiarowy 20, blok komunikacji 30 oraz układ nadrzędny 40. Sensor 1 ma opisaną powyżej postać mikropaskowej anteny rezonansowej 3 obciążonej elementem termoczułym 4, który jest połączony z termowodem 9. Koniec termowodu 9 umieszczony jest we wgłębieniu wykonanym w obiekcie 2, którego temperatura ma być mierzona. Blok pomiarowy 20 zawiera moduł nadawczo-odbiorczy 21 połączony za pomocą kabla koncentrycznego 12 z anteną 13 modułu nadawczo-odbiorczego 21. W module nadawczo-odbiorczym 21 znajduje się generator elektromagnetycznego sygnału mikrofalowego emitowanego w kierunku sensora 1 jako padający sygnał nadawczy E1, a także dowolne urządzenie odbierające odbity od sensora sygnał odbiorczy E2, np. analizator widma, detektor mocy itp. Moduł nadawczo-odbiorczy 21 może być zrealizowany za pomocą dowolnych znanych środków technicznych zapewniających emisję i odbiór sygnału mikrofalowego. W przykładowej realizacji pokazanej na fig. 8 system posiada jedną antenę 13 modułu nadawczo-odbiorczego 21, wspólną dla sygnału emitowanego i sygnału odbitego. W innych wariantach moduł nadawczo-odbiorczy 21 może współpracować z dwoma oddzielnymi antenami: anteną nadawczą i anteną odbiorczą. W przykładowej realizacji obiekt 2, którego temperatura jest mierzona, znajduje się wewnątrz urządzenia, nie pokazanego na rysunku, antena 13 modułu nadawczo-odbiorczego 21 umieszczona jest także wewnątrz, a blok pomiarowy znajduje się na zewnątrz urządzenia i kabel koncentryczny 12 przeprowadzony jest przez ściankę obudowy 14 urządzenia. Blok pomiarowy 20 zawiera moduł kontroli i przetwarzania 22 zintegrowany z modułem nadawczo-odbiorczym 21. Moduł kontroli i przetwarzania 22 wyposażony jest w algorytmy i środki obliczeniowe skonfigurowane do przetwarzania danych pochodzących z modułu nadawczo-odbiorczego 21 oraz wyznaczania w czasie rzeczywistym parametrów charakterystyk częstotliwościowych elektromagnetycznych sygnałów mikrofalowych emitowanych i odbieranych przez antenę 13, w szczególności kształtu i głębokości rezonansu charakterystyk dopasowania. Moduł nadawczo-odbiorczy 21 zawiera generator sygnału mikrofalowego i analizator sygnału mikrofalowego i może być zrealizowany dowolnymi znanymi środkami technicznymi. Alternatywą jest wykorzystanie indywidualnie zaprojektowanych i zrealizowanych układów nadawczo-odbiorczych o różnej architekturze, umożliwiających generację i pomiar charakterystyk częstotliwościowych sygnału mikrofalowego. W korzystnym wariancie realizacji moduł kontroli i przetwarzania 22 wyposażony jest w środki obliczeniowe zapewniające automatyczne normowanie w czasie rzeczywistym charakterystyki odbitego od sensora sygnału odbiorczego E2 w odniesieniu do charakterystyki padającego na sensor sygnału nadawanego E1, w szczególności ze względu na możliwą niestabilność amplitudową generatora sygnału mikrofalowego. Moduł kontroli i przetwarzania 22 może być także skonfigurowany do automatycznego wykrywania w czasie rzeczywistym zmian pozycji sensora 1, w szczególności jego odległości od anteny 13 i synchronizowania sygnałów nadawanych i odbieranych tak, aby generacja sygnału nadawczego i pomiar charakterystyki odbitego sygnału odbiorczego odbywał się dla tego samego położenia sensora 1 względem anteny 13. Jest to istotne i korzystne dla pomiarów temperatury w warunkach, gdy badany obiekt 2 jest elementem ruchomym, np. periodycznie zmieniającym położenie względem bloku pomiarowego 20 i anteny 13. Blok pomiarowy 20 zawiera także moduł interfejsu użytkownika 23 połączony dwukierunkowo z modułem kontroli i przetwarzania 22. W przykładowej realizacji w module interfejsu użytkownika 23 znajduje się wyświetlacz 24 aktualnie zmierzonej temperatury oraz sygnalizator 25, np. świetlny, dźwiękowy, nadający sygnał alarmowy przy przekroczeniu zadanych progów temperatury. Interfejs użytkownika 23 może być także zaopatrzony w środki techniczne umożliwiające użytkownikowi wprowadzanie, zmianę danych i kryteriów pracy systemu do modułu kontroli i przetwarzania 22. W przykładowej realizacji systemu blok pomiarowy 20 połączony jest dwukierunkowo z blo kiem komunikacji 30, który jest wyposażony w środki techniczne do komunikacji z układem nadrzędnym 40. Umożliwia to zarządzanie pomiarem temperatury obiektu 2, ustawianie parametrów, odbiór wyników pomiarów i sygnałów alarmowych w miejscu oddalonym od obiektu 2 i bloku pomiarowego 20.

Sposób zdalnego pomiaru temperatury obiektu oparty jest na zastosowaniu mikropaskowej anteny rezonansowej 3 obciążonej elementem termoczułym 4 w postaci termistora 4A i/albo bimetalu 4B jako bezprzewodowego pasywnego sensora 1 umieszczonego w kontakcie termicznym z obiektem 2, którego temperatura jest mierzona, emisji w kierunku sensora mikrofalowego sygnału nadawczego E1 oraz pomiarze i analizie charakterystyk dopasowania sygnału odbiorczego E2 odbitego od sensora. W metodzie tej wykorzystuje się analizę zmian kształtu i poziomu rezonansu sygnału odbitego od sensora w zależności od temperatury oddziałującej na element termoczuły 4 sensora 1. Przykładowy sposób pomiaru przebiega w następujących głównych etapach: kalibracja sensora 1, umieszczenie sensora 1 w kontakcie termicznym z badanym obiektem 2, pomiar właściwy metodą odbiciową. Na etapie kalibracji sensor 1 umieszcza się kolejno w różnych znanych temperaturach i dla każdej z nich emituje się w kierunku jego mikropaskowej anteny rezonansowej 3 mikrofalowy sygnał nadawczy E1 o paśmie częstotliwości obejmującym częstotliwość rezonansową tej anteny oraz odbiera i analizuje sygnał odbiorczy E2 odbity od sensora. Dla sygnału odbiorczego mierzy się napięcia na odbiornikach amplitudy i fazy w funkcji częstotliwości, które określają parametry dopasowania w funkcji częstotliwości, co po przeliczeniach pozwala na wyznaczenie przebiegu charakterystyk dopasowania S11 i ich parametrów w różnych temperaturach. W ten sposób otrzymuje się zbiór referencyjnych charakterystyk dopasowania, różniących się od siebie głębokością i kształtem rezonansu, ponieważ w różnych temperaturach różna jest rezystancja elementu termoczułego 4 stanowiącego obciążenie mikropaskowej anteny rezonansowej 3.

Poglądowe charakterystyki dopasowania S11 dla różnych temperatur T, mające różną głębokość rezonansu, pokazane są na fig. 10. Do kalibracji mogą być użyte także nie całe przebiegi charakterystyk referencyjnych, a tylko ich wartości charakterystyczne, np. częstotliwość rezonansowa i poziom sygnału dla tej częstotliwości, czyli głębokość rezonansu. Na tej podstawie można określić charakterystykę kalibracyjną sensora jako zależność głębokości rezonansu A od temperatury T, w jakiej znajduje się element termoczuły 4 sensora 1. W celu przeprowadzenia właściwych pomiarów sensor 1 umieszcza się na badanym obiekcie 2 tak, aby warstwa GND 3C mikropaskowej anteny rezonansowej znajdowała się od strony obiektu 2, a element termoczuły 4 był w jak najlepszym kontakcie termicznym z obiektem 2. W przykładowej realizacji pokazanej na fig. 3 cały sensor 1 znajdujący się w osłonie 11 zamocowuje się do powierzchni obiektu 2 tak, aby element termoczuły 4 przylegał jak największą powierzchnią do powierzchni badanego obiektu 2 w celu zapewnienia szybkiej reakcji elementu termoczułego 4 na zmiany temperatury obiektu. W przypadku, gdy istotny jest szybki pomiar zmian temperatury wewnątrz obiektu 2, np. w korbowodzie przy łożyskach, a nie na jego zewnętrznej krawędzi, kontakt elementu termoczułego 4 realizuje się za pośrednictwem termowodu 9, którego jeden koniec zespala się za pośrednictwem izolatora elektrycznego 10 z powierzchnią elementu termoczułego 4 w dowolny znany sposób, np. przez docisk we wspólnej obudowie. Drugi koniec termowodu 9 umieszcza się w przygotowanym wcześniej zagłębieniu w ścianie badanego obiektu 2. Po zamocowaniu sensora 1 do badanego obiektu, umieszcza się antenę 13 nadawczo-odbiorczą modułu nadawczo-odbiorczego 21 w zadanej odległości od warstwy łaty 3B mikropaskowej anteny rezonansowej 3 i rozpoczyna pomiar temperatury obiektu 2. W tym celu generuje się i emituje w kierunku sensora mikrofalowy sygnał nadawczy E1 w paśmie częstotliwości obejmującym częstotliwość rezonansową mikropaskowej anteny rezonansowej 3 oraz rejestruje i analizuje odbity od sensora sygnał odbiorczy E2, w szczególności charakterystyki dopasowania. Padające na sensor 1 sygnały na częstotliwościach poza częstotliwością rezonansową ulegają znacznemu odbiciu, natomiast sygnały na częstotliwościach w pobliżu częstotliwości rezonansowej ulegają znaczenie mniejszemu odbiciu, ponieważ duża część energii w pobliżu częstotliwości rezonansowej odbieranej przez antenę rezonansową jest dostarczana do elementu termoczułego 4, w szczególności termistora 4A, gdzie ulega wytraceniu, ponieważ termistor 4A jest pasywnym elementem rezystancyjnym. Tak więc ilość energii odbitej i powracającej do układu pomiarowego jest niewielka. Zmiana rezystancji elementu termoczułego pod wpływem temperatury powoduje zmianę ilości energii odbitej, a tym samym zmianę przebiegu charakterystyk dopasowania S11, w szczególności zmianę kształtu rezonansu i poziomu sygnału w rezonansie, czyli głębokości rezonansu. Dzięki temu obserwacja i analiza zmian charakterystyk dopasowania w czasie pod wpływem zmian temperatury oddziałującej na element termoczuły umożliwia pomiar temperatury. W tym celu mierzone charakterystyki dopasowa nia S11 porównuje się z charakterystykami referencyjnymi otrzymanymi na etapie kalibracji, co po określeniu największej zgodności pozwala określić mierzoną temperaturę. W zależności od zastosowanego układu pomiarowego i środków obliczeniowych, porównywane mogą być całe przebiegi charakterystyk, ich kształty lub tylko ich punkty charakterystyczne. W przypadku, gdy do kalibracji wykorzystywane są nie całe przebiegi charakterystyk, a tylko poziom sygnału w rezonansie, na etapie właściwych pomiarów do określenia temperatury wykorzystuje się charakterystykę kalibracyjną, tj. zależność głębokości rezonansu A od temperatury T. Przykładowe rzeczywiste charakterystyki dopasowania zmierzone dla różnych temperatur pokazane są na fig. 11. W przypadku zastosowania termowodu, zmiany parametrów elementu termoczułego, w szczególności rezystancji termistora, występują z pewnym opóźnieniem, wówczas temperatura może być określana poprzez analizę dynamiki zmian charakterystyk dopasowania. Wszystkie pomiary, analizy i określenie temperatury realizuje się w czasie rzeczywistym za pomocą modułu kontroli i przetwarzania 22 wyposażonego w dedykowane komputerowe środki obliczeniowe, zapewniające w zależności od potrzeb odpowiednie przetwarzanie i analizę charakterystyk mikropaskowej anteny rezonansowej. W celu eliminacji niedokładności pomiarów wynikających np. z niestabilności amplitudowej generatora sygnału nadawczego, w czasie pomiaru normuje się charakterystykę sygnału odbiorczego E2 w odniesieniu do charakterystyki sygnału nadawczego E1, za pomocą środków obliczeniowych zaimplementowanych w module kontroli i przetwarzania 22 bloku pomiarowego 20. W przypadku pomiaru temperatury obiektu ruchomego, położenie sensora umieszczonego na obiekcie jest zmienne w czasie względem stałego umiejscowienia anteny 13 modułu nadawczo-odbiorczego 21, co niekorzystnie wpływa na dokładność pomiarów. W celu eliminacji tej niedokładności, w czasie pomiaru synchronizuje się generację sygnału nadawczego z aktualną pozycją sensora tak, aby pomiar charakterystyki sygnału odbiorczego w całym spectrum częstotliwości odbywał się dla tej samej pozycji sensora względem anteny 13 modułu nadawczo-odbiorczego 21.

W przypadku, gdy wymagany jest ciągły pomiar, monitoring zmian temperatury obiektu w czasie, korzystne jest wykorzystanie jako elementu termoczułego 4 termistora 4A. Natomiast w sytuacji, gdy istotne jest szybkie wykrycie np. przekroczenia niebezpiecznej temperatury, dobre efekty daje zastosowanie odpowiednio dobranego bimetalu 4B jako elementu termoczułego, ponieważ jego rezystancja w określonej temperaturze zmienia się skokowo powodując łatwą do identyfikacji skokową zmianę charakterystyk sensora, bez konieczności porównywania z kalibracyjnymi charakterystykami referencyjnymi. Umożliwia to wykorzystanie sensora jako sygnalizatora stanu niebezpiecznego, generującego alarm i/albo wyłączenie pracy obiektu. Połączenie w elemencie termoczułym termistora 4A i bimetalu 4B pozwala na realizację obu funkcji: ciągłego pomiaru temperatury i sygnalizacji stanu alarmowego.

W przykładowej realizacji wynalazku pomiary prowadzono z wykorzystaniem sensora o wyżej wskazanych parametrach dla sygnału nadawczego w paśmie 2,4-2,5 GHz i częstotliwości rezonansowej 2,45 GHz, odległości sensora od anten modułu nadawczo-odbiorczego 3,5 cm. Przy zmianie temperatury o 55°C głębokość rezonansu sygnału odbiorczego zmienia się o ok. 6%. W temperaturze 65°C poziom sygnału w rezonansie wynosił -29,2 dB, a przy temperaturze 120°C wynosił -31.0 dB. Dla zastosowanego termistora NPD 470 ohm jako elementu termoczułego zakres mierzonych temperatur wynosi: -40°C do 200°C. Stosując różne elementy termoczułe można wykorzystać rozwiązanie do pomiarów dla różnych przewidywanych zakresów temperatur obiektu.

Zastosowanie w proponowanym rozwiązaniu oprogramowanego modułu kontroli i przetwarzania wyposażonego umożliwia szybkie przetwarzanie i analizę danych, a tym samym szybkie pomiary w czasie rzeczywistym. Moduł interfejsu użytkownika umożliwia szybką reakcję na zmiany temperatury, a także sygnalizację przekroczenia zaprogramowanych progów alarmowych. Dzięki zastosowaniu bloku komunikacji z układem nadrzędnym możliwe jest zdalne zarządzanie pomiarami i ich wynikami.

Przedstawione przykładowe realizacje nie wyczerpują możliwych wariantów realizacji rozwiązania mających istotne cechy według wynalazku. W szczególności możliwe jest także wykorzystanie jako elementu termoczułego 4 elementu reaktancyjnego, dla którego zmiany temperatury spowodują zmiany jego reaktancji, czego wynikiem jest przesunięcie częstotliwości rezonansu. Dla takiej realizacji istota pomiaru jest taka sama: pomiar charakterystyk dopasowania przy zmieniającej się temperaturze i porównanie z charakterystykami referencyjnymi, tylko konieczne jest szersze pasmo sygnału pomiarowego, obejmujące zakres możliwych zmian częstotliwości rezonansowej.

Możliwe są także różne warianty fizycznej realizacji anteny rezonansowej, elementu termoczułego, termowodu i ich połączeń. W systemie pomiarowym moduł interfejsu użytkownika może być wyposażony w różne znane środki techniczne, a blok komunikacji i układ nadrzędny mogą zawierać elementy i układy realizujące różne oczekiwane przez użytkownika funkcje.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Bezprzewodowy pasywny sensor do zdalnego pomiaru temperatury obiektu mający postać mikropaskowej anteny rezonansowej (3) obciążonej elementem termoczułym (4) będącym w kontakcie termicznym z badanym obiektem (2), gdzie mikropaskowa antena rezonansowa (3) jest anteną łatową, w której metaliczna warstwa łaty (3B) ma wyprowadzenie galwaniczne (7) na stronę metalicznej warstwy GND (3C) anteny, izolowane elektrycznie od warstwy GND, a element termoczuły (4) umieszczony jest od strony warstwy GND (3C) i połączony jest elektrycznie z warstwą GND (3C) oraz z warstwą łaty (3B) znamienny tym, że elementem termoczułym (4) jest termistor (4A) i/albo bimetal (4B).
2. 2. Sensor według zastrz. 1 znamienny tym, że elementem termoczułym (4) jest termistor (4A) połączony szeregowo z bimetalem (4B).
3. 3. Sensor według zastrz. 1 znamienny tym, że elementem termoczułym (4) jest termistor (4A) połączony równolegle z bimetalem (4B).
4. 4. Sensor według zastrz. 1 znamienny tym, że warstwa łaty (3B) i warstwa GND (3C) mają obszary bez metalizacji (6) w obrębie elementu termoczułego (4), z zachowaniem ścieżek do kontaktu elektrycznego z elementem termoczułym (4).
5. 5. Sensor według zastrz. 1 znamienny tym, że zaopatrzony jest w termowód (9) stykający się jednym swym końcem z badanym obiektem (2), a drugim końcem, za pośrednictwem izolatora elektrycznego (10), z elementem termoczułym (4).
6. 6. Sensor według zastrz. 1 znamienny tym, że element termoczuły (4) połączony jest z mikropaskową anteną rezonansową (3) za pośrednictwem prowadnicy mikrofalowej (8).
7. 7. System zdalnego pomiaru temperatury obiektu zawierający bezprzewodowy pasywny sensor (1) w postaci mikropaskowej anten rezonansowej (3) obciążonej elementem termoczułym (4) będącym w kontakcie termicznym z badanym obiektem (2) oraz blok pomiarowy (20) posiadający moduł nadawczo-odbiorczy (21) elektromagnetycznego sygnału mikrofalowego z anteną lub antenami do wysyłania i odbioru sygnałów, w zasięgu których znajduje się bezprzewodowy pasywny sensor, moduł kontroli i przetwarzania (22) wyposażony w środki obliczeniowe skonfigurowane do automatycznego przetwarzania sygnałów mikrofalowych i wyznaczania temperatury oraz moduł interfejsu użytkownika (23), znamienny tym, że elementem termoczułym (4) jest termistor (4A) i/albo bimetal (4B), a moduł kontroli i przetwarzania (22) wyposażony jest w środki obliczeniowe do analizowania i wyznaczania parametrów charakterystyk dopasowania elektromagnetycznego sygnału mikrofalowego w czasie rzeczywistym.
8. 8. System według zastrz. 7 znamienny tym, że wyposażony jest w blok komunikacji (30) połączony dwukierunkowo z blokiem pomiarowym (20) i skonfigurowany do kontaktu z układem nadrzędnym (40).
9. 9. System według zastrz. 7 znamienny tym, że blok pomiarowy (20) wyposażony jest w sygnalizator (25) zadanych progów temperatury.
10. 10. Sposób zdalnego pomiaru temperatury obiektu polegający na umieszczeniu bezprzewodowego sensora (1) w kontakcie termicznym z badanym obiektem (2), którego temperatura jest mierzona, emitowaniu elektromagnetycznego mikrofalowego sygnału nadawczego w kierunku sensora i rejestracji sygnału odbitego od sensora, przy czym przed rozpoczęciem właściwych pomiarów dokonuje się kalibracji sensora znamienny tym, że pomiary temperatury wykonuje się za pomocą bezprzewodowego pasywnego sensora (1) w postaci mikropaskowej anteny rezonansowej (3) obciążonej termistorem (4A) i/albo elementem bimetalicznym (4B), który umieszcza się na obiekcie (2) tak, aby termistor i/albo element bimetaliczny był w kontakcie termicznym z obiektem (2), emituje się sygnał nadawczy (E1) w kierunku sensora (1) w paśmie obejmującym częstotliwość rezonansową mikropaskowej anteny rezonansowej (3), a dla mierzonego i analizowanego sygnału odbitego (E2) wyznacza się charakterystyki dopasowania (S11), porównuje z charakterystykami referencyjnymi uzyskanymi podczas kalibracji i na podstawie danych z etapu kalibracji przyporządkowuje się im wartości temperatury (T), przy czym na etapie kalibracji sensor (1) umieszcza się w różnych znanych temperaturach i dla każdej z nich wyznacza się referencyjne przebiegi charakterystyk dopasowania (S11) sensora (1) w zakresie częstotliwości obejmującym częstotliwość rezonansową.

    10 PL 247690 B1
11. 11. Sposób według zastrz. 10 znamienny tym, że porównuje się całe przebiegi wyznaczonych w czasie pomiaru charakterystyk dopasowania (S11) z całymi przebiegami referencyjnych charakterystyk dopasowania wyznaczonych na etapie kalibracji.
12. 12. Sposób według zastrz. 10 znamienny tym, że do porównania wyznaczonych w czasie pomiaru charakterystyk dopasowania (S11) z referencyjnymi charakterystykami dopasowania wyznaczonymi na etapie kalibracji wykorzystuje się tylko wartość częstotliwości rezonansowej i głębokości rezonansu.
13. 13. Sposób według zastrz. 10-12 znamienny tym, że do określenia temperatury obiektu wykorzystuje się dodatkowo analizę dynamiki zmian w czasie charakterystyk dopasowania (S11) sygnału odbitego (E2) od sensora (1).