用于確定溫度的傳感器及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于確定溫度的傳感器以及一種用于確定溫度的方法。
【背景技術】
[0002]在許多工業化的過程中，例如產生輻射、使材料變形或者運行燃氣輪機都產生數百°〇的高溫。為了有效地控制和魯棒性地進行這些過程需要精確地測量和控制溫度。
[0003]為了在這樣的溫度范圍內進行溫度測量多使用由金屬或者金屬氧化物制成的所謂的熱電偶。這樣的熱電偶由兩根金屬線或導體電路組成，它們通過交叉或者焊接與熱測量點接觸。在冷端可以量取所謂的溫差電壓，該溫差電壓表征材料配對并且取決于熱電偶的熱端和冷端之間的溫度差。
[0004]雖然這樣的熱電偶可以簡單地例如通過噴涂施加在各種表面上，然而其具有許多問題。由于溫差電壓對溫度差的依賴性必須始終提供一個參考溫度，以便能夠實現絕對的溫度測量。因為熱電偶是無源的結構元件，所以靈敏度、信噪比等不能通過外部的觸發來影響。
【發明內容】
[0005]因此本發明的任務在于，提供一種在開始時提到的類型的傳感器和方法，所述傳感器和方法允許特別簡單地、靈敏地和可靠地測量高的溫度。
[0006]該任務通過具有權利要求1的特征的傳感器以及通過具有權利要求5的特征的方法來解決。
[0007]根據本發明的、用于確定溫度的傳感器包括由第一電介質組成的第一絕緣層，其布置在由導電材料制成的第一導體層和第二導體層之間。由第二電介質組成的第二絕緣層布置在由導電材料制成的第二導體層和第三導體層之間。該設備的電氣特性的溫度依賴性如下得以實現，即第一電介質和第二電介質各自的介電常數具有不同的溫度依賴性。
[0008]換句話說，在本發明的范圍內提供一種形式為兩層的電容器的電容性的溫度傳感器，其作為電容性的交流電壓分壓器起作用。
[0009]為了利用這樣的傳感器確定溫度，如在本發明的方法的范圍內描述的那樣，確定在第一導體層和第三導體層之間施加的輸入交流電壓與在第二導體層和第三導體層之間量取的輸出交流電壓的比例。
[0010]對于給定的傳感器幾何結構和給定的輸入交流電壓來說，輸出交流電壓僅取決于第一導體層和第二導體層以及第二導體層和第三導體層之間的電容量。這些電容量又是電介質的介電常數的函數，進而直接取決于溫度。
[0011]因此與已知的熱電偶不同，不僅確定溫度差而且確定用于絕對溫度的直接尺度。因此可以省去提供參考溫度，從而使用本發明的傳感器和方法能夠實現特別簡單地和精確地測量高的溫度。
[0012]為了提供一種在許多工業化的過程中通常的、較高的溫度下低磨損地和穩定地工作的傳感器，有利的是，對于電介質來說使用高溫下穩定的氧化陶瓷。在本發明的一種優選的實施方式中因此對于第一電介質來說使用氧化鋁而對于第二電介質來說使用氧化鋯。這兩種氧化物的溫度穩定性足夠高并且它們的介電常數的溫度依賴性顯著不同，從而能夠保證溫度測量的高準確性。
[0013]對于導體層來說可以使用金屬、金屬合金或者同樣可以使用溫度穩定的陶瓷，比如像摻雜的氧化銦錫(Indium-Zinn-Oxid)。所有提到的材料類別都同樣適合給應該測量的、高的溫度提供電阻。
[0014]為了保證特別可靠的溫度測量，有利的是，為輸入交流電壓的不同的頻率確定比例。這特別在電磁干擾的環境中改善了測量準確度。
[0015]同樣為改善測量準確度作出貢獻的是，取決于期望的信噪比選擇輸入交流電壓。因此在特別強烈干擾測量的情況下通過提高輸入交流電壓能夠顯著提高質量。
[0016]從輸入交流電壓和輸出交流電壓之間的比例出發在最簡單的情況下能夠借助一條相應的特征線確定溫度，該特征線對于給定的傳感器類型來說是特定的并且能夠在一種簡單的校準測量中確定。當已知兩種電介質的介電常數的精確的溫度依賴性時，分析的評估也是可能的。
【附圖說明】
[0017]下面根據附圖詳細說明本發明及其實施方式。附圖示出:
[0018]圖1是根據本發明的傳感器的一個實施例的示意性的剖面圖；
[0019]圖2是燒結的氧化鋁的介電常數的溫度依賴性曲線圖；
[0020]圖3是燒結的氧化鋯的介電常數的溫度依賴性曲線圖；
[0021]圖4是在使用氧化鋁和氧化鋯作為電介質的情況下根據圖1的傳感器的輸入與輸出電壓的比例的溫度依賴性。
【具體實施方式】
[0022]整體上使用10表示用于高溫測量的傳感器，所述傳感器包括第一電介質12以及第二電介質18，所述第一電介質布置在第一導體層14和第二導體層16之間；所述第二電介質布置在第二導體層16和第三導體層20之間。
[0023]所述電介質是耐高溫的氧化陶瓷，其中第一電介質和第二電介質在其介電常數的溫度依賴性方面不同。例如為此可以使用由氧化鋁和氧化鋯制成的燒結的薄膜。導體層可以由具有相應選擇的熔點的金屬或者金屬合金制成，但是也可以由導電的陶瓷制成，比如像摻雜的氧化銦錫。
[0024]為了借助傳感器10執行溫度測量，在第一導體層14和第三導體層20之間施加輸入交流電壓V1并且在第二導體層16和第三導體層20之間量取輸出交流電壓V 2。
[0025]也就是說傳感器10作為電容性的交流電壓分壓器起作用。電壓比％/%在給定的傳感器幾何結構和輸入交流電壓V1的情況下現在取決于第一導體層14和第二導體層16之間的或者第二導體層16和第三導體層20之間的電容量。而所述電容量又是電介質12和18的介電常數的函數。
[0026]如圖2和圖3所示，氧化鋁(圖2)和氧化鋯(圖3)具有顯著不同的介電常數，此外還具有顯著不同的介電常數對溫度的依賴性。附圖為七個不同的溫度分別示出了相對介電常數的頻率特性。這些曲線從下到上分別表示從300K到900K之間以10K為步長的特性。
[0027]正如圖4所示出的那樣，對于輸入交流電壓V1的每一個給出的頻率來說產生比例%/%的明顯的溫度依賴性。在圖示的情況下使用具有Icm2的電容器面積、由106μπι厚的氧化鋯薄膜制成的第一電介質12、由165 μπι厚的氧化鋁薄膜制成的第二電介質16的傳感器10。明顯可以看出，電壓比對溫度的依賴性在500Κ和800Κ之間的范圍內特別強烈地上升。因此傳感器1在該溫度范圍內特別準確。
[0028]總而言之提供一種傳感器10，所述傳感器允許在高的溫度范圍內測量絕對溫度。因為通過提高輸入交流電壓以及通過選擇輸入交流電壓的頻率能夠控制靈敏度，所以該傳感器10在強電磁干擾的環境中也特別適用。
【主權項】
1.用于確定溫度的傳感器(10)，所述傳感器具有由第一電介質組成的第一絕緣層(12)以及由第二電介質組成的第二絕緣層(18)，所述第一絕緣層布置在由導電材料制成的第一導體層(14)和第二導體層(16)之間；所述第二絕緣層布置在由導電材料制成的第二導體層(16)和第三導體層(20)之間，其中所述第一電介質和第二電介質各自的介電常數具有不同的溫度依賴性。
2.根據權利要求1所述的傳感器(10)，其特征在于， 所述第一電介質是氧化鋁。
3.根據權利要求1或2所述的傳感器(10)，其特征在于， 所述第二電介質是氧化鋯。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的傳感器(10)，其特征在于， 所述導體層(14、16、20)由金屬、金屬合金或者導電陶瓷、特別是摻雜的氧化銦錫組成。
5.用于借助根據權利要求1至4中任一項所述的傳感器(10)確定溫度的方法，其特征在于， 為了確定溫度而確定在第一導體層(14)和第三導體層(20)之間施加的輸入交流電壓(V1)和在第二導體層(16)和第三導體層(20)之間量取的輸出交流電壓(V2)的比例。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于， 為輸入交流電壓(V1)的不同的頻率確定所述比例。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其特征在于， 取決于期望的信噪比選擇輸入交流電壓(％)。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的方法，其特征在于， 從所述比例出發借助特征線求得溫度。
【專利摘要】本發明涉及一種用于確定溫度的傳感器(10)，所述傳感器具有一個由第一電介質組成的第一絕緣層(12)以及一個由第二電介質組成的第二絕緣層(18)，所述第一絕緣層布置在由導電材料制成的第一導體層(14)和第二導體層(16)之間；所述第二絕緣層布置在由導電材料制成的第二導體層(16)和第三導體層(20)之間，其中所述電介質第一和第二電介質各自的介電常數具有不同的溫度依賴性。此外本發明涉及一種借助這樣的傳感器(10)來確定溫度的方法。
【IPC分類】G01K7-34
【公開號】CN104685330
【申請號】CN201380044260
【發明人】D·格奇, R·馬茨, R·門納
【申請人】西門子公司
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2013年7月12日
【公告號】DE102012214922A1, EP2861946A2, US20150219504, WO2014029557A2, WO2014029557A3