СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КАЛИБРОВКИ ТЕРМОМЕТРА ПО МЕСТУ Российский патент 2020 года по МПК G01K15/00 G01K7/34 

Изобретение относится к устройству для определения и/или мониторинга температуры рабочей среды, включающему, по меньшей мере, один температурный датчик и один эталонный элемент. Изобретение относится также к способу калибровки по месту и/или валидации устройства по данному изобретению.

Калибровку термометров в настоящее время проводят, как правило, в калибровочных ваннах, печах или устройствах контрольной точки. Соответствующая ячейка контрольной точки описана в патентной заявке DE 10 2004 027 072 B3. Однако в этих методиках термометр, как правило, демонтируют из места измерения. Для обеспечения возможности калибровки термометра в смонтированном состоянии в DE19941731A1 описана мини-ячейка с фиксированной точкой, в термометр, заполненная веществом фиксированной точки, например металлом или эвтектическим сплавом. В этом случае, однако, необходима дополнительная ячейка для герметизирования вещества фиксированной точки, что снижает динамику датчика, в частности время реагирования на изменение температуры. Кроме этого в отдельных случаях возможно выделение вещества фиксированной точки из ячейки, что может привести к повреждению или даже к разрушению термометра.

Таким образом, предпочтительна возможность осуществления калибровки и/или валидации термометра в смонтированном состоянии, т.е. по месту, когда указанные недостатки не проявляются.

В принципе для определения термометра используют самые разные физические и/или химические, специфичные, температурозависимые свойства материалов. При этом речь идет либо о проявляющемся в определенной характеристической температурной точке, в частности, резком изменении соответствующих свойств, либо о непрерывном изменении этих свойств в виде характерной кривой. Например, точка Кюри ферромагнитного материала является характерной температурной точкой для этого материала. В этом смысле из DE 4032092C2 известен способ определения температуры Кюри, при котором посредством термоанализатора дифференциального сканирования выявляют резкое изменение принятого тепла в области температуры Кюри. В DE19702140A1 описаны устройство и способ измерения температуры вращающейся несущей детали с температурным щупом из ферромагнитного или парамагнитного материала с температурозависимым изменением поляризации в конкретном интересном диапазоне температур. Таким образом, для определения температуры привлекают кривую температурозависимой поляризации.

В другом примере, известном из DE19805184A1 описано определение температуры пьезоэлектрического элемента на основе его емкости. Аналогично этому патентная заявка DE69130843T2 относится к способу и устройству определения температуры пьезоэлектрического кварцевого осциллятора.

Привлечение определенных характеристических температурных точек или кривых принципиально подходит и для калибровки и/или валидации термометров.

Так, например, в EP1247268B2 описан способ калибровки по месту нескольких встроенных температурных датчиков на основе кривых одного или нескольких эталонных элементов в виде вторичных температурных датчиков, причем эталонные элементы встроены в комплект термометра дополнительно к первичному температурному датчику. Для осуществления калибровки соответствующие применяемые эталонные элементы различают по устройству и/или соответственно применяемому материалу первичного датчика, что выражено разными типами кривых. Недостатком этого является то, что, как правило, кривые эталонных элементов подвержены эффектам старения и/или сенсорному сдвигу.

Для предотвращения подобных отрицательных моментов из DE 10 2010 040 039 A1 известны устройство и способ калибровки по месту термометра с температурным датчиком и эталонным элементом для калибровки температурного датчика, , причем эталонный элемент, по меньшей мере, частично состоит из ферроэлектрического материала, в котором, по меньшей мере, при заданной температуре в пределах температурного диапазона, релевантного для калибровки температурного датчика, происходит фазовое преобразование. Таким образом, калибровку осуществляют на основе характеристической температурной точки фазового перехода ферроэлектрического материала, т.е. на основе специфичной для материала характеристики. Таким образом, в зависимости от количества установленных эталонных элементов осуществляют т.н. одноточечную, а также многоточечную калибровку и/или валидацию. Аналогичное устройство, предназначенное, в частности для многоточечной калибровки, также известно из пока неопубликованной немецкой патентной заявки 1020151124425.4, поданной 29.07.2016 тем же заявителем. Описанный в ней термометр включает, по меньшей мере, один температурный датчик и, по меньшей мере, два эталонных элемента, коммутированные строго двумя контактными проводами, состоящие, по меньшей мере, частично из двух разных материалов, в которых в температурном диапазоне, релевантном соответственно для калибровки температурного датчика, происходит, по меньшей мере, фазовый переход, по меньшей мере, второго порядка при соответственно заданной температуре фазового перехода. Далее на DE 10 2010 040 039 A1 и на патентную заявку 1020151124425.4 сделана ссылка в полном объеме.

Исходя из уровня техники, в основу настоящего изобретения положена задача создания альтернативной возможности для калибровки по месту и/или валидации температурного датчика.

Эта задача решается посредством устройства для определения и/или мониторинга температуры рабочей среды по пункту 1 формулы изобретения, а также посредством способа по пункту 14 формулы для калибровки по месту и/или валидации устройства по данному изобретению.

Относительно устройства по данному изобретению эту задачу решают посредством устройства для определения и/или мониторинга температуры рабочей среды, имеющего, по меньшей мере, один температурный датчик, один эталонный элемент для калибровки по месту и/или валидации температурного датчика и один электронный блок. Эталонный элемент состоит, по меньшей мере, частично, из материала, у которого в релевантном для калибровки температурного датчика диапазоне температур наступает, по меньшей мере, фазовый переход, по меньшей мере, при заданной первой температуре фазового перехода, при котором материал остается в неподвижной фазе.

Согласно изобретению электронный блок предназначен для подачи на эталонный элемент динамического возбудительного сигнала.

Термометр по данному изобретению предназначен предпочтительно для калибровки по месту и/или валидации, по меньшей мере, первого температурного датчика. Для этого температурный датчик (первичный датчик) калибруют и/или валидируют посредством вторичного датчика (эталонного элемента).

Фазовый переход в материале, остающемся в твердой фазе, по классификации Эренфеста - это, например, фазовый переход, по меньшей мере, второго порядка. В отличие от фазового перехода первого порядка при нем не происходит высвобождение или высвобождается только незначительный объем латентного тепла. Если не происходит высвобождение или высвобождается только незначительный объем латентного тепла, то - принципиально и независимо от выбранной классификации фазовых переходов - предпочтительно невозможно спутать измеренную температурным датчиком в момент начала фазового перехода температуру, в частности, с высвобождающимся латентным теплом.

В другой, в настоящее время более распространенной классификации фазовых переходов различают только дискретные (1-го порядка) и непрерывные (2-го порядка) фазовые переходы [см., например, Толковый словарь физики, академическое издание Спектрум, Хайдельберг, Берлин, том 4, словарная статья “Фазовые переходы и другие критичные феномены”]. По этой классификации, например, для различных ферроэлектрических материалов существуют фазовые переходы как 1-го порядка, так и 2-го порядка, причем в обоих случаях соответствующий материал, в котором происходит фазовый переход, остается во время фазового перехода в неподвижной фазе.

Нахождение в твердой фазе независимо от выбранной классификации фазового перехода имеет большое значение в настоящем изобретении. Остающийся в неподвижной фазе материал особенно предпочтителен, учитывая конструктивные аспекты системы, в частности блок мониторинга.

Фазовый переход содержит непостоянность во втором отвлечении термодинамического параметра, например давления, объема, энтальпии или энтропии в качестве функции, например, температуры. Как правило, фазовые переходы происходят с изменением определенных специфических характеристик материала, например, с изменением кристаллической структуры или сменой магнитных, электрических или диэлектрических характеристик. Эти специфические изменения характеристик материала известны для конкретного эталонного элемента, и их можно использовать для калибровки и/или валидации температурного датчика. При этом, по меньшей мере, в эталонном элементе происходят один или несколько фазовых переходов, в частности фазовые переходы в неподвижной фазе соответствующего материала. Каждый фазовый переход происходит при определенном характеристическом, постоянном и продолжительно стабильном температурном параметре, за счет чего для эталонного элемента нет необходимости учитывать сдвиг и/или эффекты старения.

При подаче на эталонный элемент динамического, в частности временно динамического, возбудительного сигнала для выявления начала, по меньшей мере, одного фазового перехода привлекают другие характеристические параметры, отсутствующие при подаче статического возбудительного сигнала.

Во время фазового перехода в зависимости от выполнения эталонного элемента изменяется, как правило, например, абсолютная диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость материала, в котором происходит фазовый переход. Эти характеристические параметры в зависимости от выполнения эталонного элемента фиксируют посредством разных принципов измерения, например, на основе емкости или индуктивности. При рассмотрении емкости или индуктивности абсолютная диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость вытекают из соответствующих реальных или мнимых составляющих. Мнимые составляющие, в свою очередь, непосредственно фиксируют при нагрузке эталонного элемента посредством динамического возбудительного сигнала. Нагрузка эталонного элемента динамическим возбудительным сигналом обеспечивает, таким образом, возможность непосредственной фиксации соответствующих характеристических параметров, зависимых от фазового перехода.

Электронный блок предпочтительно предназначен для выявления начала, по меньшей мере, одного фазового перехода на основе принятого эталонным элементом входного сигнала. На основе сравнения температуры фазового перехода с температурой рабочей среды, главным образом одновременно измеренной температурным датчиком, осуществляют калибровку и/или валидацию температурного датчика, в частности входной сигнал - это также динамический, в частности временно динамический принимаемый сигнал.

В одном из вариантов осуществления возбудительный сигнал и/или принятый эталонным элементом входной сигнал - это соответственно синусоидный, прямоугольный, треугольный, пилообразный или пульсирующий сигнал, в частности токовый сигнал или сигнал напряжения. Таким образом, речь идет о переменном токе или переменном напряжении.

В предпочтительном варианте осуществления устройства по настоящему изобретению, по меньшей мере, материал, по меньшей мере, частичного изготовления эталонного элемента - это ферроэлектрический материал, ферромагнитный материал или сверхпроводник, в частности высокотемпературный сверхпроводник. Соответственно, по меньшей мере, один фазовый переход - это фазовый переход от ферроэлектрического в пароэлектрическое состояние и наоборот, от ферримагнитного в парамагнитное состояние и наоборот или от сверхпроводникового состояния в состояние обычного проводника или наоборот. Температура фазового перехода - это соответственно, например, температура Кюри конкретного материала или т.н. температура скачка.

В другом варианте осуществления электронный блок предназначен для варьирования частоты и/или амплитуды возбудительного сигнала. Таким образом, электронный блок предназначен, в частности, для проведения спектроскопии полного сопротивления и/или для проведения развертки частоты, при которой систематически сканируют, в частности, задаваемый частотный диапазон дискретными частотами возбудительного сигнала. Например, если в качестве характеристического параметра детектирования фазового перехода рассматривать поляризацию соответствующего материала, из которого, по меньшей мере, частично изготовлен эталонный элемент, или зависимый от этого или производный параметр, то возможны разные причины поляризации. Например, различают электронную, молекулярную, диполярную или ионную поляризацию. При выборе необходимой частоты возбудительного сигнала специально выбирают по отдельности механизмы, лежащие в основе поляризации. Таким образом, существует возможность частотного выявления факта прохождения фазового перехода.

Для эталонного элемента в рамках настоящего изобретения возможно большое количество разных вариантов выполнения, целиком соответствующих данному изобретению. Ниже описаны две возможности выполнения эталонного элемента, не ограничивающие следующий далее перечень.

В первом предпочтительном варианте осуществления эталонным элементом является конденсатор с диэлектриком, причем диэлектрик, по меньшей мере, частично состоит из материала, в котором происходит, по меньшей мере, один фазовый переход. Для этого варианта осуществления соответственно предпочтительно выявление начала, по меньшей мере, одного фазового перехода на основе емкости или зависимого от емкости параметра.

В альтернативном предпочтительном варианте осуществления эталонным элементом является блок катушки, по меньшей мере, с одной катушкой и одним магнитопроводящим элементом, по меньшей мере, частично состоящим из материала, в котором происходит, по меньшей мере, один фазовый переход. В этом варианте осуществления также предпочтительно выявление, по меньшей мере, одного фазового перехода на основе индуктивности или зависимого от индуктивности параметра.

Выбор специального варианта выполнения эталонного элемента зависит, с одной стороны, от конкретного выполнения термометра. С другой стороны, выполнение эталонного элемента зависит от характеристического параметра, используемого для выявления фазового перехода, или же соответствующий параметр зависит от конкретного варианта выполнения эталонного элемента.

Характеристическими параметрами в случае, в частности, временно динамического возбудительного сигнала в зависимости от варианта выполнения эталонного элемента и конкретного термометра, в частности электронного блока, имеющего, например, в частности, электронную измерительную схему для фиксирования соответствующего параметра, являются, например, емкость, индуктивность, полное сопротивление или также угол диэлектрических потерь.

Так, например, в особенно предпочтительном варианте осуществления предложен электронный блок, предназначенный для определения полного сопротивления или зависящего от полного сопротивления параметра, по меньшей мере, одного компонента эталонного элемента и для выявления начала фазового перехода на основе полного сопротивления или зависящего от полного сопротивления параметра, в частности, характера полного сопротивления или зависящего от полного сопротивления параметра в зависимости от времени и/или температуры.

В другом, особенно предпочтительном варианте осуществления предложен электронный блок, предназначенный для определения угла диэлектрических потерь или зависящего от него параметра, по меньшей мере, одного компонента эталонного элемента и для выявления начала фазового перехода на основе угла диэлектрических потерь или зависящего от угла диэлектрических потерь параметра, в частности, характера угла диэлектрических потерь или зависящего от угла диэлектрических потерь параметра в зависимости от времени и/или температуры.

Еще в одном, особенно предпочтительном варианте осуществления предложен электронный блок, предназначенный для определения емкости, индуктивности или зависящего от емкости и/или индуктивности параметра, по меньшей мере, компонента эталонного элемента и для выявления начала фазового перехода на основе емкости, индуктивности или зависящего от емкости и/или индуктивности параметра, в частности, характера емкости и/или индуктивности или зависящего от емкости и/или индуктивности параметра в зависимости от времени и/или температуры.

Для конкретно используемых измерительных схем или электронного блока также возможно большое количество вариантов выполнения, обеспечивающих возможность фиксирования разных характеристических параметров. Ниже перечислен ряд особенно предпочтительных примеров выполнения. Однако, необходимо указать на то, что указанные возможности не ограничивают приведенный перечень. Более того, в уровне техники существуют многие другие соответствующие принципы измерения, подпадающие под данное изобретение.

В одном из вариантов выполнения электронный блок включает мостовую схему, в частности мостик Вина или мостик Вина-Максвела, причем эталонный элемент является компонентом мостовой схемы. Лежащие в основе мостовой схемы принципы измерения известны из уровня техники и поэтому подробно не описаны. Предпочтительно мостовая схема предназначена также для фиксирования температуры соответствующей рабочей среды, если температурный датчик выполнен, например, в виде сопротивления. В отличие от мостовых схем для использования, в частности, с временно статичными возбудительными сигналами в мостовых схемах для использования, в частности, с временно динамическими сигналами, например с переменными сигналами, возникающие в конкретной мостовой схеме термонапряжения не замещают соответствующий результат измерения или входной сигнал. Если мостовая схема выявляет фазовый переход и определяет температуру рабочей среды, речь идет о конструктивно особенно простом варианте осуществления данного изобретения. Мостовую схему используют предпочтительно для определения полного сопротивления, зависящего от фазового перехода.

В другом варианте осуществления электронный блок включает электрический колебательный контур, причем эталонный элемент является компонентом колебательного контура. Колебательным контуром является, например, RL-, RC, или RCL-контур. Посредством колебательного контура главным образом определяют, например, температуру температурного датчика, выполненного в виде сопротивления. В случае колебательного контура для выявления фазового перехода используют фиксирование константы времени, на основе которого для выполненного в виде конденсатора или блока катушек эталонного элемента определяют, например, емкость или индуктивность.

В этом варианте осуществления также предпочтительно предназначение электронного блока для выявления начала, по меньшей мере, одного фазового перехода на основе изменения резонансной частоты колебательного контура. Характеристический параметр в этом варианте задан, таким образом, резонансной частотой колебательного контура, в которой с началом, по меньшей мере, одного фазового перехода происходит, в частности, скачкообразное изменение.

Устройство в одном из вариантов осуществления включает также средства наложения, в частности, электрического или магнитного поля, причем электронный блок предназначен для распознавания, по меньшей мере, одного фазового перехода на основе, по меньшей мере, кривой гистерезиса.

Независимо от конкретного варианта выполнения эталонного элемента, конкретного выполнения электронного блока и от конкретного параметра для выявления фазового перехода также предпочтительно предназначение электронного блока для подачи на температурный датчик динамического возбудительного сигнала. Такой вариант выполнения отличается особенно простой конструкцией. В зависимости от конкретного варианта выполнения посредством электронной схемы одновременно управляют как эталонным элементом, так и температурным датчиком.

Задача настоящего изобретения решается также посредством способа калибровки по месту и/или валидации устройства согласно настоящему изобретению, причем на эталонный элемент подают динамический возбудительный сигнал.

Необходимо указать на то, что раскрытые в связи с устройством варианты осуществления с соответствующими изменениями применимы также для предложенного способа.

Изобретение более подробно раскрыто на основе нижеследующих фигур чертежей.

Одинаковые элементы устройства имеют соответственно одинаковые условные обозначения. На чертежах показано:

Фиг. 1 - схема термометра с температурным датчиком и эталонным элементом для калибровки по месту и/или валидации температурного датчика согласно существующему уровню техники,

Фиг.2 - схема калибровки и/или валидации температурного датчика на основе эталонного элемента,

Фиг.3 - второй вариант выполнения устройства согласно настоящему изобретению с двумя температурными датчиками согласно настоящему изобретению и эталонным элементом,

Фиг.4 - схема выполнения эталонного элемента в виде (а) конденсатора и в виде (b) блока катушки,

Фиг. 5 - схема электронного блока с мостовой схемой для эталонного элемента, в Фиг. 6 - схема электронного блока в виде колебательного контура для эталонного

элемента, выполненного в виде (а) конденсатора и в виде (b) блока катушки, и

Фиг. 7 - схема электронного блока, предназначенного для выявления фазового

перехода на основе кривой гистерезиса для эталонного элемента, выполненного в виде (а)

конденсатора и в виде (b) блока катушки.

На Фиг. 1 схематично показан термометр 1 с защитной трубкой 2 и электронным блоком 3 согласно уровню техники, предназначенный для калибровки по месту и/или валидации. Обращенный в сторону соответствующей рабочей среды 5 участок защитной трубки 2 называют также сенсорной головкой 3. Внутренний объем сенсорной головки 3 заполнен, в частности, электроизолирующим наполнителем 6, в частности цементом. Внутри сенсорной головки 3 также расположен температурный датчик 7 и эталонный элемент 8, электрически коммутированные соответственно, по меньшей мере, двумя контактными проводами 9, 10 и соединенные с электронным блоком 4. Температурным датчиком 7 является, например, сопротивление или термоэлемент. Эталонный элемент 8, в свою очередь, состоит, по меньшей мере, из материала, у которого в релевантном для работы устройства диапазоне температур наступает, по меньшей мере, фазовый переход, по меньшей мере, второго порядка, по меньшей мере, при заданной температуре перехода. Количество необходимых контактных проводов 9, 10 для коммутирования эталонного элемента 8 и температурного датчика 7 варьируется в зависимости от типа используемого принципа измерения. В показанном варианте выполнения температурный датчик 7 и эталонный элемент 8 расположены внутри общей сенсорной головки 3 и отстоят друг от друга. Они также могут напрямую контактировать друг с другом и быть, например, спаяны.

На Фиг.2 показана калибровка и/или валидация температурного датчика 7 посредством эталонного элемента 8. На верхней диаграмме показан характер кривой характеристического физического или химического параметра G, используемого для выявления фазового перехода. При фазовом переходе в эталонном элементе 8 в показанном примере происходит скачкообразное изменение параметра G. Момент времени выявления скачкообразного изменения параметра является моментом времени t_ph фазового перехода, когда эталонный элемент 8 имеет температуру T_ph фазового перехода.

На нижней диаграмме показана определенная температурным датчиком 7 температура Т датчика в качестве функции времени t. Для калибровки и/или валидации температурного датчика 7 на основе эталонного элемента 8 определяют, например, измеренный момент времени t_m, имеющий самый короткий временной промежуток с моментом времени t_ph фазового перехода. Соответствующую измеренному моменту времени t_m температуру T_m датчика сравнивают с температурой T_ph фазового перехода. На основе сравнения проводят калибровку и/или валидацию. Кроме этого при отклонении ΔΤ= T_m(t_m)-T_ph(t_Ph) с превышением задаваемого порогового значения можно юстировать термометр 1 и/или генерировать и/или эмитировать сообщение об отклонении.

Три возможных примера выполнения эталонного элемента 8 показаны на Фиг.3. Для ферроэлектрического материала соответствует, например, вариант выполнения эталонного элемента в виде конденсатора. Материалом 11, в котором происходит фазовый переход, является в этом случае диэлектрик. Эталонный элемент 8 включает, кроме того, два электрода 12а и 12b, расположенные в показанном примере непосредственно на двух противоположных боковых поверхностях материала 11, имеющего форму кубического тела, и электрически коммутированные двумя соединительными проводками 10а и 10b, например, для выявления емкости C_ref эталонного элемента 8 и выявления емкости C_ref на основе, в частности, скачкообразного изменения. Другие подробности такого выполнения эталонного элемента 8 в виде конденсатора раскрыты в патентной заявке DE102010040039A1.

Для эталонного элемента 8 с ферримагнитным материалом 11 предложен вариант выполнения в виде блока катушек, как показано, например, на Фиг. 3b и Фиг. 3c. Возможность выявления фазового перехода в таком варианте выполнения эталонного элемента 8 состоит в детектировании изменения индуктивности L_ref схемы. При фазовом переходе от ферримагнитного в парамагнитное состояние меняется магнитное сопротивление материала 15, в котором происходит фазовый переход, и, следовательно, индуктивность L_ref схемы.

В варианте выполнения по Фиг. 3b эталонный элемент 8 включает катушку 13 с сердечником 14 и магнитопроводящий элемент 15 из ферримагнитного материала. Магнитопроводящий элемент 15 расположен, по меньшей мере, частично в образованном катушкой 13 и сердечником 14 магнитном поле В, показанном силовыми линиями. При фазовом переходе в магниопроводящем элементе 15 изменяется магнитное поле В, которое можно дедектироватооь на основе изменения индуктивности L схемы.

Использование сердечника 14 в катушке 13 предложено только опционно. Возможное выполнение эталонного элемента 8 в виде блока катушки без сердечника показано соответственно на Фиг.3с. Здесь, например показано, с одной стороны, магнитное поле В₁ доминирующее при нахождении элемента 15 в ферримагнитном состоянии. Также пунктирными линиями показано магнитное поле В₂, доминирующее при нахождении элемента 15 в парамагнитном состоянии.

При подаче на эталонный элемент 8, в частности, временно динамического возбудительного сигнала U_A,dyn используют разные характеристические параметры эталонного элемента 8 для фиксирования, по меньшей мере, одного фазового перехода, в частности отсутствующие при статичном возбудительном сигнале.

При фазовом переходе в выполненном в виде конденсатора эталонном элементе 8 по Фиг.3а изменяется, например, абсолютная диэлектрическая проницаемость материала, в данном случае в виде диэлектрика. В качестве характеристического параметра соответственно используют, например, емкость C_ref. При фазовом переходе в выполненном в виде блока катушки эталонном элементе 8 по Фиг.3b или 3c изменяется, напротив, магнитная проницаемость материала магнитопроводящего элемента 15. Характеристическим параметром в этом случае является индуктивность L_ref. В случае емкости C_ref или индуктивности L_ref абсолютная диэлектрическая проницаемость или магнитная проницаемость напрямую зависит от соответствующих мнимых долей. Эти мнимые доли напрямую фиксируют при подаче на эталонный элемент динамического возбудительного сигнала.

Наряду с емкостью C_ref или индуктивностью L_ref фиксируют, например, другие характеристические параметры, фиксируемые при нагрузке эталонного элемента 8 предпочтительно для выявления начала фазового перехода, например полное сопротивление Z или угол δ диэлектрических потерь, как показано на Фиг.4. Хотя изобретение никоим образом не ограничено указанными характеристическими параметрами для выявления фазового перехода, для простоты понимания нижеследующее описание относится к указанным параметрам - индуктивности L, емкости С, полному сопротивлению Z и углу δ диэлектрических потерь.

Для выявления фазового перехода на основе полного сопротивления Z или угла δ диэлектрических потерь эталонный элемент 8 выполняют, например, согласно варианту по Фиг.3. На Фиг.4а схематично показана составляющая полного сопротивления, т.е. сопротивления переменного тока, в качестве функции температуры. При температуре T_ph фазового перехода полное сопротивление минимальное, что позволяет, например, на основе временного изменения составляющей полного сопротивления выявить фазовый переход в эталонном элементе 8. Угол δ диэлектрических потерь, показывающий соотношение полезной мощности и реактивной мощности при температуре T_ph фазового перехода напротив максимальный, как схематично показано на Фиг.4b. На основе временного изменения угла δ диэлектрических потерь можно сделать вывод о наступлении фазового перехода.

Если полное сопротивление Z и угол δ диэлектрических потерь кроме этого при двух разных возбудительных сигналах U_A,dyn,1 и U_A,dyn,2 имеют, по меньшей мере, две разные частоты f₁ и f₂, и образовано соотношение полного сопротивления Z(f₁) / Z(f₂) или угла δ диэлектрических потерь δ (f₁)/δ (f₂), можно также на основе соответствующих соотношений зафиксировать фазовый переход. Эти соотношения предпочтительно не зависят от конкретных абсолютных параметров соответствующих возбудительных сигналов. На последующих фигурах показаны некоторые особенно предпочтительные варианты выполнения электронного блока 4 согласно настоящему изобретению, который можно использовать для фиксирования разных характеристических параметров, например индуктивности L, емкости С, полного сопротивления Z и угла δ диэлектрических потерь.

В варианте выполнения по Фиг.5 электронный блок 4 включает мостовую схему с четырьмя полными сопротивлениями Z₁-Z₃ и Z_ref. Эталонный элемент 8 образует, по меньшей мере, компонент мостовой схемы, в частности, полного сопротивления Z_ref, и, по меньшей мере, одно из сопротивлений Z₁-Z₃ имеет электронный компонент регулируемого электрически параметра. В зависимости от варианта выполнения эталонного элемента 8 отдельные полные сопротивления Z₁-Z₃ и Z_ref являются каждое сопротивлением R, емкостью С, индуктивностью L или подключенной, по меньшей мере, частично последовательно и/или, по меньшей мере, частично параллельно схемой, по меньшей мере, из двух указанных элементов R, C, L.

При выполнении эталонного элемента 8 в виде конденсатора используют, например, т.н. мостик Вина. При выполнении эталонного элемента 8 в виде блока катушки электронный блок 4 включает в отличие от этого предпочтительно т.н. мостовую схему Вина-Максвела. Положенные в основу обеих этих измерительных схем принципы измерения сами по себе известны из уровня техники и поэтому подробно не раскрыты. Электронный блок 4, в частности мостовую схему, возбуждают динамическим возбудительным сигналом U_A,dyn. Зависимое от фазового перехода полное сопротивление Z мостовой схемы определяют затем по диагональному напряжению U_det. В уравновешенном состоянии мостовой схемы диагональное напряжение U_det равно нулю, и на основе характеристического для соответствующей мостовой схемы условия равновесия по известным сопротивлениям Z₁-Z₃ высчитывают полное сопротивление Z_ref. При изменении полного сопротивления Z_ref, например, из-за фазового перехода в эталонном элементе 8 мостовая схема теряет равновесие, а диагональное напряжение U_det перестает быть равным нулю. Для выявления изменения зависимого от фазового перехода полного сопротивления Z_ref используют, например, т.н. метод выравнивания или т.н. индикаторный метод измерения. Оба метода известны из уровня техники.

При методе выравнивания, по меньшей мере, компонент, по меньшей мере, известного полного сопротивления Z₁-Z₃ изменяют до повторного достижения равновесия и снова высчитывают неизвестное полное сопротивление Z_ref по соответствующему условию равновесия. В этом методе предпочтительно необходимо только выявление нулевого диагонального напряжения U_det. Однако, соответствующее выравнивание полных сопротивлений Z₁-Z₃ и Z_ref сравнительно затратно. При простом индикаторном методе измерения мостовую схему наоборот не уравновешивают. Вместо этого по измеренному диагональному напряжению определяют неизвестное полное сопротивление Z_ref. Однако при этом необходимо более точное измерение напряжения.

В отличие от мостовых схем, в частности, для временно статичных сигналов, т.е., например, для измерительных мостков постоянного напряжения, у мостовых схем переменного напряжения отсутствует негативное воздействие на соответствующий измерительный сигнал со стороны возникающих термонапряжений внутри измерительной схемы. Другим преимуществом мостовой схемы для использования, в частности, с временно динамическим возбудительным сигналом является возможность определения сопротивления посредством соответствующей схемы наряду с характеристическим для эталонного элемента 8 параметром. Если температурный датчик 7 выполнен в виде сопротивления, то посредством той же самой мостовой схемы определяют температуру соответствующей рабочей среды 5. Такое выполнение отличается предпочтительно особенно компактной конструкцией.

Другая, не показанная на фигурах возможность определения угла δ диэлектрических потерь состоит, например, в нагрузке эталонного элемента 8 динамическим возбудительным токовым сигналом, т.е. переменным током, и в выявлении соответственно выбранному измерительному сопротивлению входного сигнала напряжения, смещенного по фазе относительно возбудительного токового сигнала, в частности выявления переменного напряжения. Альтернативно существует возможность использовать возбудительный сигнал в виде переменного напряжения и перехватывать смещенный по фазе входной сигнал в виде переменного тока. В этом варианте выполнения на основе амплитудного соотношения мгновенных параметров тока и напряжения определяют полное сопротивление Z=U(t) / l(t).

В качестве альтернативы описанным ранее вариантам выполнения эталонный элемент 8, выполненный также в виде, например, конденсатора или блока катушки по Фиг.3, встроен в электрический колебательный контур внутри электронного блока 4, как показано на Фиг.6. В этом случае в качестве характеристического параметра для выявления фазового перехода предложена предпочтительно константа времени для эталонного элемента 8 или резонансная частота f₀ колебательного контура.

В случае эталонного элемента 8, выполненного в виде конденсатора с емкостью C_ref, как показано на Фиг. 6а, реализуют, например, колебательный контур RC с сопротивлением R₁, соответственно выбираемый в зависимости от эталонного элемента 8. При выполнении эталонного элемента в виде блока катушки с индуктивностью L_ref, как показано на Фиг. 6b, используют, например, колебательный контур RCL с сопротивлением R₁ и емкостью С₁, выбираемыми в зависимости от эталонного элемента 8. Наряду с обоими показанными вариантами возможно также множество других вариантов выполнения соответствующего колебательного контура, также подпадающих под данное изобретение.

При появлении фазового перехода резонансная частота f₀ колебательного контура изменяется таким образом, что резонансную частоту колебательного контура принципиально можно использовать для выявления фазового перехода при температуре T_ph фазового перехода.

Для определения константы времени действуют, в отличие от этого, например, следующим образом: в качестве возбудительного сигнала используют предпочтительно прямоугольный сигнал. В случае выполненного в виде конденсатора эталонного элемента 8 измеряют, например, время процесса зарядки конденсатора до задаваемого порогового параметра напряжения. В случае выполненного в виде блока катушки эталонного элемента 8 в отличие от этого определяют, например, время достижения проходящим через катушку током задаваемого порогового параметра тока или время до падения проходящего через катушку напряжения ниже задаваемого порогового параметра напряжения. Измеренное время соответственно является мерой емкости C_ref или индуктивности L_ref эталонного элемента 8.

Другой возможностью является определение смещения по фазе между возбудительным сигналом и входным сигналом, на основе которого также выводят емкость C_ref или индуктивность L_ref эталонного элемента 8. Также возможно проведение амплитудно-модулированного измерения входного сигнала при постоянном сопротивлении R₁. Изменение амплитуды входного сигнала является при этом также мерой емкости C_ref или индуктивности L_ref.

Если, по меньшей мере, один фазовый переход выявляют в отличие от этого на основе кривой гистерезиса, то предложена, например, измерительная схема в соответствии с одним из вариантов выполнения по Фиг.7. Аналогично предыдущим фигурам эталонный элемент 8 является частью соответствующей электрической измерительной схемы внутри электронного блока 4.

Кривую гистерезиса фиксируют на основе изменения поляризации соответствующего материала, в котором происходит фазовый переход, путем наложения временно динамического напряжения U_A,dyn. Соответствующая кривая гистерезиса вытекает из наложения соответственно напряжения U₁ в зависимости от наложенного U_A,dyn. Появление фазового перехода выявляют, например, на основе изменения соотношения напряжений U_A,dyn и U₁.

В варианте выполнения по Фиг.7а эталонный элемент 8 является конденсатором с емкостью C_ref, как показано, например, на Фиг.3а. Соответственно речь идет о фазовом переходе от ферроэлектрического в параэлектрическое состояние или наоборот. Показанная измерительная схема является т.н. электросхемой Сойера-Тауэра, хорошо известной из уровня техники и поэтому подробно не описанной.

Электросхема для детектирования фазового перехода в случае эталонного элемента 8 в виде блока катушки с индуктивностью L_ref, выполненной соответственно из ферромагнитного материала, как показано, например, на Фиг. 3b или 3c, показана на Фиг.7b. Емкость С1 и сопротивления R₁ и R₂ соответствуют используемому эталонному элементу 8.

Перечень условных обозначений

1 комплект термометра

2 защитная трубка

3 сенсорная головка

4 электронный блок

5 рабочая среда

6 наполнитель

7 температурный датчик

8 эталонный элемент

9, 9a, 9b соединительные проводки эталонного элемента

10 соединительные проводки температурного датчика

11 ферроэлектрический материал, диэлектрик

12a, 12b электроды

13 катушка

14 сердечник

15 ферримагнитный материал, магнитопроводящее тело

C, C_ref емкость эталонного элемента

L, L_ref индуктивность эталонного материала

T_ph температура фазового перехода

t_Ph момент времени фазового перехода t_ph

t время

Z полное сопротивление

δ угол диэлектрических потерь

B, B₁, B₂ магнитное поле

U_A,dyn динамический возбудительный сигнал

U_E.dyn динамический входной сигнал

U_det диагональное напряжение мостовой схемы

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения и/или мониторинга температуры рабочей среды. Предложено устройство (1) для определения и/или мониторинга температуры рабочей среды (5), включающее по меньшей мере один температурный датчик (7), один эталонный элемент (8) для калибровки по месту и/или валидации температурного датчика (7) и электронный блок (4). Причем эталонный элемент (8), по меньшей мере, частично состоит из материала (11, 15), в котором в температурном диапазоне, релевантном для калибровки температурного датчика (7), происходит по меньшей мере один фазовый переход, по меньшей мере, при первой заданной температуре фазового перехода (T_ph), в котором материал (11, 15) остается в неподвижной фазе. Согласно изобретению электронный блок (4) выполнен для нагрузки эталонного элемента динамическим возбудительным сигналом (U_A,dyn). Кроме того, данное изобретение относится к способу калибровки и/или валидации температурного датчика на основе устройства по данному изобретению. Технический результат - обеспечение возможности непосредственной фиксации соответствующих характеристических параметров, зависимых от фазового перехода. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство (1) для определения и/или мониторинга температуры (2) рабочей среды (5), включающее по меньшей мере один температурный датчик (7), один эталонный элемент (8) для калибровки по месту и/или валидации температурного датчика (7) и электронный блок (4), причем эталонный элемент (8) состоит, по меньшей мере, частично из материала (11, 15), в котором в релевантном для калибровки температурного датчика (7) температурном диапазоне происходит по меньшей мере один фазовый переход, по меньшей мере, при первой заданной температуре T_ph фазового перехода, при котором материал (11, 15) остается в неподвижной фазе, отличающееся тем, что электронный блок (4) выполнен для нагрузки эталонного элемента (8) динамическим возбудительным сигналом (U_А,dyn).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что возбудительный сигнал (U_А,dyn) и/или принятый эталонным элементом (8) входной сигнал (U_E.dyn) является соответственно синусоидным, прямоугольным, треугольным, пилообразным или пульсирующим сигналом, в частности токовым сигналом или сигналом напряжения.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что материал (11, 15) является ферроэлектрическим материалом, ферромагнитным материалом или сверхпроводящим материалом, в частности высокотемпературным сверхпроводником.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что электронный блок (4) выполнен для варьирования частоты и/или амплитуды возбудительного сигнала (U_А,dyn).

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что эталонный элемент (8) является конденсатором с диэлектриком (11), причем диэлектрик (11), по меньшей мере, частично состоит из материала, в котором происходит по меньшей мере один фазовый переход.

6. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что эталонный элемент (8) является блоком катушки по меньшей мере с одной катушкой (13) и магнитопроводящим элементом (15), причем элемент (15) состоит, по меньшей мере, частично из материала, в котором происходит по меньшей мере один фазовый переход.

7. Устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что электронный блок (4) выполнен для определения полного сопротивления (Z) или зависимого от полного сопротивления (Z) параметра по меньшей мере одного компонента эталонного элемента (8) и для детектирования появления фазового перехода на основе полного сопротивления (Z) или зависимого от полного сопротивления (Z) параметра, в частности характера кривой полного сопротивления (Z) или зависимого от этого параметра в зависимости от времени и/или температуры.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что электронный блок (4) выполнен для определения угла (δ) диэлектрических потерь или зависимого от угла (δ) диэлектрических потерь параметра по меньшей мере одного компонента эталонного элемента (8) и для детектирования появления фазового перехода на основе угла (δ) диэлектрических потерь или зависимого от угла (δ) диэлектрических потерь параметра, в частности характера кривой угла (δ) диэлектрических потерь или зависимого от этого параметра в зависимости от времени и/или температуры.

9. Устройство по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что электронный блок (4) выполнен для определения емкости (С), индуктивности (L) или зависимого от емкости (С) и/или индуктивности (L) параметра по меньшей мере одного компонента эталонного элемента (8) и для детектирования появления фазового перехода на основе емкости (С), индуктивности (L) или зависимого от емкости (С) и/или индуктивности (L) параметра, в частности характера кривой емкости (С), индуктивности (L) или зависимого от емкости (С) и/или индуктивности (L) параметра в зависимости от времени и/или температуры.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, отличающееся тем, что электронный блок (4) является мостовой электросхемой, включающей, в частности, мостик Вина или мостик Вина-Максвела, а эталонный элемент (8) является компонентом мостовой электросхемы.

11. Устройство по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что электронный блок (4) включает электрический колебательный контур, а эталонный элемент (8) является компонентом мостовой электрического колебательного контура.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что электронный блок (4) выполнен для детектирования по меньшей мере одного фазового перехода на основе изменения резонансной частоты (f_o) колебательного контура.

13. Устройство по любому из пп. 1-12, отличающееся тем, что устройство (1) включает средства для наложения, в частности, электрического или магнитного поля (В), причем электронный блок (4) выполнен для детектирования появления по меньшей мере одного фазового перехода на основе, по меньшей мере, кривой гистерезиса.

14. Устройство по любому из пп. 1-13, отличающееся тем, что электронный блок (4) выполнен для нагрузки температурного датчика (7) динамическим возбудительным сигналом.

15. Способ калибровки по месту и/или валидации устройства по любому из пп. 1-14, отличающийся тем, что эталонный элемент (8) нагружают динамическим возбудительным сигналом (U_A,dyn).