WO2014029557A2

WO2014029557A2 - Sensor und verfahren zum bestimmen einer temperatur

Info

Publication number: WO2014029557A2
Application number: PCT/EP2013/064788
Authority: WO
Inventors: Dieter GÖTSCH; Richard Matz; Ruth MÄNNER
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2014-02-27
Also published as: EP2861946A2; DE102012214922A1; CN104685330A; WO2014029557A3; US20150219504A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (10) zum Bestimmen einer Temperatur, mit einer ersten Isolierschicht (12) aus einem ersten Dielektrikum, welche zwischen einer ersten (14) und einer zweiten Leitschicht (16) aus einem leitfähigen Material angeordnet ist, sowie mit einer zweiten Isolierschicht (18) aus einem zweiten Dielektrikum, welche zwischen der zweiten (16) und einer dritten Leitschicht (20) aus einem leitfähigen Material angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Dielektrikum eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit ihrer jeweiligen Permittivität aufweisen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur mittels eines solchen Sensors (10).

Description

Beschreibung

Sensor und Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur Die Erfindung betrifft einen Sensor sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur.

Bei vielen industriellen Prozessen, beispielsweise der Stahlerzeugung, der Umformung von Metallen oder dem Betrieb von Gasturbinen, treten hohe Temperaturen von mehreren hundert °C auf. Für eine effiziente Steuerung und einen robusten Betrieb solcher Prozesse ist eine genaue Messung und Steuerung der Temperatur notwendig. Zur Temperaturmessung in diesen Temperaturbereichen finden meist sogenannte Thermoelemente aus Metall oder Metalloxiden Anwendung. Ein solches Thermoelement besteht aus zwei Drähten oder Leiterbahnen, die an der heißen Messstelle durch Überkreuzen oder Verlöten in Kontakt gebracht werden. Am kalten Ende kann die sogenannte Thermospannung abgegriffen werden, die für die Materialpaarung charakteristisch ist und von der Temperaturdifferenz zwischen Heiß- und Kaltseite des Thermoe^¬ lements abhängt. Während solche Thermoelemente einfach, beispielsweise durch Spritzbeschichtung, auf verschiedene Oberflächen aufgebracht werden können, sind sie doch mit mehreren Problemen behaftet. Aufgrund der Abhängigkeit der Thermospannung von einer Temperaturdifferenz muss immer eine Referenztemperatur bereitge- stellt werden, um absolute Temperaturmessungen zu ermöglichen. Da es sich bei Thermoelementen um passive Bauelemente handelt, kann die Empfindlichkeit, das Signal-Rausch- Verhältnis und dgl . nicht durch externe Ansteuerung beein- flusst werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und ein Verfahren der eingangs genannten Art be- reitzustellen, welche eine besonders einfach, empfindliche und zuverlässige Messung hoher Temperaturen erlauben.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.

Ein erfindungsgemäßer Sensor zum Bestimmen einer Temperatur, umfasst eine erste Isolierschicht aus einem ersten Dielektri- kum, welche zwischen einer ersten und einer zweiten Leitschicht aus einem leitfähigen Material angeordnet ist. Eine zweite Isolierschicht aus einem zweiten Dielektrikum, ist zwischen der zweiten und einer dritten Leitschicht aus einem leitfähigen Material angeordnet. Die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften dieser Anordnung kommt dadurch zustande, dass das erste und das zweite Dielektrikum eine un^¬ terschiedliche Temperaturabhängigkeit ihrer jeweiligen

Permittivität aufweisen. Mit anderen Worten wird im Rahmen der Erfindung ein kapazitiver Temperatursensor in Form eines zweilagigen Kondensators geschaffen, der als kapazitiver Wechselspannungsteiler fungiert . Um mit einem solchen Sensor eine Temperatur zu bestimmen, wird, wie im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, ein Verhältnis aus einer zwischen der ersten und dritten Leitschicht angelegten Eingangswechselspannung und einer zwischen der zweiten und dritten Leitschicht abgegrif- fenen Ausgangswechselspannung bestimmt.

Für eine gegebene Geometrie des Sensors und eine gegebene Eingangswechselspannung hängt die Ausgangswechselspannung nur von den Kapazitäten zwischen der ersten und zweiten sowie der zweiten und dritten Leitschicht ab. Diese Kapazitäten sind wiederum eine Funktion der Permittivitäten der Dielektrika und hängen damit unmittelbar von der Temperatur ab. Im Gegensatz zu bekannten Thermoelementen wird somit nicht nur eine Temperaturdifferenz, sondern ein direktes Maß für eine Absoluttemperatur bestimmt. Auf die Bereitstellung einer Referenztemperatur kann daher verzichtet werden, so dass mit dem erfindungsgemäßen Sensor und Verfahren eine besonders einfache und präzise Messung hoher Temperaturen ermöglicht wird .

Um einen Sensor bereitzustellen, der unter den hohen, bei vielen industriellen Prozessen üblichen Temperaturen verschleißarm und stabil arbeitet, ist es zweckmäßig, für die Dielektrika hochtemperaturstabile Oxidkeramiken zu verwenden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher für das erste Dielektrikum Aluminiumoxid und für das zweite Dielektrikum Zirkonoxid verwendet. Beide Oxide sind hinrei^¬ chend temperaturstabil und unterscheiden sich stark in der Temperaturabhängigkeit ihrer Permittivitäten, so dass eine hohe Genauigkeit der Temperaturmessung gewährleistet werden kann .

Für die Leitschichten können Metalle, Metalllegierungen oder ebenfalls temperaturstabile Keramiken, wie beispielsweise do^¬ tiertes Indium-Zinn-Oxid verwendet werden. Alle genannten Stoffklassen sind ebenfalls geeignet, den hohen Temperaturen, die gemessen werden sollen, Widerstand zu leisten.

Um eine besonders zuverlässige Temperaturmessung zu gewähr^¬ leisten, ist es zweckmäßig, das Verhältnis für unterschiedli^¬ che Frequenzen der Eingangswechselspannung zu bestimmen. Dies verbessert die Messgenauigkeit insbesondere in elektromagne^¬ tisch gestörten Umgebungen.

Ebenfalls zur Verbesserung der Messgenauigkeit trägt es bei, wenn die Eingangswechselspannung in Abhängigkeit von einem gewünschten Signal-Rausch-Verhältnis gewählt wird. Bei beson^¬ ders starken Störungen der Messung kann somit die Qualität durch Erhöhung der Eingangswechselspannung deutlich erhöht werden . Aus dem Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangswechsel^¬ spannung kann im einfachsten Fall die Temperatur mittels einer entsprechenden Kennlinie bestimmt werden, die für einen gegebenen Sensortyp spezifisch ist und in einer einfachen Ka- librierungsmessung bestimmt werden kann. Auch eine analytische Auswertung ist möglich, wenn die exakte Temperaturabhängigkeit der Permittivitäten der beiden Dielektrika bekannt ist . Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 Eine schematische Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;

FIG 2 die Temperaturabhängigkeit der Permittivität von gesintertem Aluminiumoxid;

FIG 3 die Temperaturabhängigkeit der Permittivität von gesintertem Zirkonoxid;

FIG 4 die Temperaturabhängigkeit des Verhältnisses von

Eingangs- zu Ausgangsspannung eines Sensors gem. FIG 1 bei Verwendung von Aluminium- und Zirkonoxid als Dielektrika.

Ein insgesamt mit 10 bezeichneter Sensor für Hochtemperaturmessungen umfasst ein erstes Dielektrikum 12, welches zwischen einer ersten 14 und einer zweiten Leitschicht 16 ange- ordnet ist, sowie ein zweites Dielektrikum 18, welches zwi^¬ schen der zweiten und einer dritten Leitschicht 20 angeordnet ist .

Bei den Dielektrika handelt es sich um temperaturbeständige Oxidkeramiken, wobei sich das erste und zweite Dielektrikum in der Temperaturabhängigkeit ihrer Permittivitäten unterscheiden. Beispielsweise können hierfür gesinterte Folien aus Aluminium- und Zirkonoxid Anwendung finden. Die Leitschichten können aus Metallen oder Metalllegierungen mit entsprechend gewähltem Schmelzpunkt oder aber aus leitfähigen Keramiken, wie beispielsweise dotiertem Indium-Zinn-Oxid bestehen. Um mittels des Sensors 10 eine Temperaturmessung durchzuführen, wird zwischen der ersten 14 und der dritten Leitschicht 20 eine Eingangswechselspannung Vi angelegt und eine Aus^¬ gangswechselspannung V2 zwischen der zweiten 16 und der dritten Leitschicht 20 abgegriffen.

Der Sensor 10 wirkt also als kapazitiver Wechselspannungstei^¬ ler. Das Spannungsverhältnis V2/V₁ hängt bei gegebener Sen^¬ sorgeometrie und Eingangswechselspannung Vi nurmehr von den Kapazitäten zwischen erster 14 und zweiter Leitschicht 16 bzw. zwischen zweiter 16 und dritter Leitschicht 20 ab. Diese Kapazitäten sind wiederum eine Funktion der Permittivitäten der Dielektrika 12 und 18.

Wie FIG 2 und 3 zeigen, weisen Aluminiumoxid (FIG 2) und Zirkonoxid (FIG 3) deutlich unterschiedliche Permittivitäten und, darüberhinaus, eine deutlich unterschiedliche Tempera^¬ turabhängigkeit der Permittivität auf. Die Figuren zeigen je^¬ weils den Frequenzgang der relativen Permittivität für sieben unterschiedliche Temperaturen. Die Kurven zeigen jeweils von unten nach oben das Verhalten von 300K bis 900K in 100K- Schritten .

Wie FIG 4 veranschaulicht, ergibt sich für jede gegebene Fre^¬ quenz der Eingangswechselspannung Vi eine deutliche Tempera- turabhängigkeit der Verhältnisses V2/V₁. Im gezeigten Fall wurde ein Sensor 10 mit 1 cm² Kondensatorfläche, einem ersten Dielektrikum 12 aus einer 106 ym starken Zirkonoxidfolie und einem zweiten Dielektrikum aus einer 165 ym starken Aluminiumoxidfolie verwendet. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Abhängigkeit des Spannungsverhältnisses von der Temperatur im Bereich zwischen 500 und 800 K eine besonders starke Steigung zeigt. Der Sensor 10 ist somit in diesem Temperaturbereich besonders genau. Insgesamt wird so ein Sensor 10 bereitgestellt, der die Mes^¬ sung von Absoluttemperaturen in hohen Temperaturbereichen erlaubt. Da die Empfindlichkeit durch Erhöhung der Eingangs- wechselspannung sowie durch die Wahl der Frequenz der Eingangswechselspannung kontrolliert werden kann, ist der Sensor 10 insbesondere auch zum Einsatz in elektromagnetisch stark gestörten Umgebungen geeignet.

Claims

Patentansprüche

1. Sensor (10) zum Bestimmen einer Temperatur, mit einer ersten Isolierschicht (12) aus einem ersten Dielektrikum, welche zwischen einer ersten (14) und einer zweiten Leitschicht (16) aus einem leitfähigen Material angeordnet ist, sowie mit ei^¬ ner zweiten Isolierschicht (18) aus einem zweiten Dielektrikum, welche zwischen der zweiten (16) und einer dritten Leitschicht (20) aus einem leitfähigen Material angeordnet ist, wobei das erste und das zweite Dielektrikum eine unterschied^¬ liche Temperaturabhängigkeit ihrer jeweiligen Permittivität aufweisen .

2. Sensor (10) nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

das erste Dielektrikum Aluminiumoxid ist.

3. Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

das zweite Dielektrikum Zirkonoxid ist.

4. Sensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Leitschichten (14, 16, 20) aus einem Metall, einer Me- talllegierung oder einer leitfähigen Keramik, insbesondere dotiertem Indium-Zinn-Oxid, bestehen.

5. Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur mittels eines Sensors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

zum Bestimmen der Temperatur ein Verhältnis aus einer zwischen der ersten (14) und dritten Leitschicht (20) angelegten Eingangswechselspannung (Vi) und einer zwischen der zweiten (16) und dritten Leitschicht (20) abgegriffenen Ausgangswech- selspannung (V₂) bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis für unterschiedliche Frequenzen der Eingangs^¬ wechselspannung ( Vi ) bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Eingangswechselspannung ( Vi ) in Abhängigkeit von einem gewünschten Signal-Rausch-Verhältnis gewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

aus dem Verhältnis die Temperatur mittels einer Kennlinie er^¬ mittelt wird.