УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ТЕРМОМЕТРА ПО МЕСТУ
DEVICE AND METHOD FOR IN-SITU CALIBRATION OF THERMOMETER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для калибровки термометра по месту, причем устройство имеет датчик температуры для определения температуры, а также изобретение относится к способу калибровки термометра по месту.
Уровень техники
Калибровка термометров обычно осуществляется в настоящее время в калибровочных ваннах, печах или устройствах контрольных точек. Соответствующая камера контрольных точек представлена, к примеру, в описании изобретения к патенту DE 102004027072 ВЗ. При этом погрешность измерения калибруемого термометра устанавливается при определенных значениях температуры, обозначенных также как контрольные значения температуры. Для этой цели термометр извлекается из места измерения, вставляется в калибровочное устройство и подвергается калибровке. Такой тип калибровки, ввиду требуемого извлечения термометра, является, разумеется, дорогостоящим. Поэтому из уровня техники известен способ калибровки термометра в положении установки. Из выкладного описания изобретения DE 19941731 А1 известна такая миниатюрная и интегрированная в термометр камера контрольных точек. При этом предлагается вставлять предназначенный для калибровки датчик температуры в находящуюся в измерительной вставке камеру, которая заполнена субстанцией для фиксации контрольных точек, зачастую металлом или эвтектическим сплавом. Когда субстанция расплавляется или отверждается, термометр измеряет температуру точки плавления. Измеренная температура точки плавления может быть потом сопоставлена с сохраненным в памяти значением температуры точки плавления. При этом недостатком является то, что необходима дополнительная камера для герметичного размещения субстанции для фиксации контрольных точек. Вследствие этого ухудшается динамика, то есть время реакции на изменения температуры термометра. Кроме того, субстанция для фиксации контрольных точек, при определенных обстоятельствах, может выйти из камеры и, таким образом, испортить термометр.
Из описания изобретения к патенту DE 4032092 С2 известен способ определения точки Кюри ферромагнитных материалов, у которых резкое изменение теплопоглощения в зоне точки Кюри не может быть установлено посредством измерения при помощи дифференциального сканирующего термоанализатора, и поэтому предусмотрены дополнительные устройства для приложения магнитного поля.
Выкладное описание изобретения DE 19805184 А1 описывает способ определения температуры пьезоэлектрического элемента. При этом посредством емкости пьезоэлемента определяется температура пьезоэлемента.
Описание изобретения к патенту DE 102005029464 В2 выявляет далее возможность компенсации пьезоэлектрических воздействий на встроенную полупроводниковую схему.
Описание изобретения к патенту DE 102004003853 В4 относится к встроенным схемным устройствам в полупроводниковой подложке и к концепции компенсации негативного воздействия механического компонента в полупроводниковой подложке на точность параметров и стабильность параметров интегрированного на полупроводниковую подложку схемного устройства.
И наконец, описание изобретения к патенту DE 69130843 Т2 относится к способу и устройству для определения температуры пьезоэлектрического кварцевого осциллятора.
Выкладное описание изобретения DE 19954164 А1 представляет датчик для измерения механических нагрузок, которые воздействуют на поверхность механического компонента.
Из описания изобретения к патенту ЕР 1247268 В2 известен следующий тип калибровки по месту нескольких встроенных датчиков температуры. Для этого во вставку для термометра, дополнительно к первичному датчику температуры, встроен один или несколько эталонных элементов в форме датчиков температуры. Они отличаются обычно конструкцией или используемым материалом от первичного датчика температуры и имеют поэтому по сравнению с первичным датчиком температуры другие эффекты старения и изменения характеристической кривой. Так, к примеру, параллельно с первичными резисторными датчиками Pt100 в качестве эталонных элементов используются полупроводники - так называемые резисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) или резисторы с положительным температурным коэффициентом (РТС). Существенным недостатком данных устройств является то, что в качестве эталона в процессе эксплуатации могут быть использованы лишь датчики с другой характеристической кривой или другими свойствами старения. Они должны быть к тому же точно известны или изменения характеристических кривых за счет старения должны быть меньше, чем у подвергающегося контролю первичного датчика температуры. Именно в случае калибровки/валидации резисторных термометров, которые в широких диапазонах температур уже выявляют очень хорошую стабильность в течение длительного времени, этого до сих пор невозможно добиться.
Раскрытие изобретения
В основе изобретения поставлена задача обеспечения стабильной в течение длительного времени калибровки или валидации датчика температуры.
Задача в соответствии с изобретением решается тем, что предусмотрен эталонный элемент для калибровки датчика температуры, причем эталонный элемент, по меньшей мере, частично состоит из ферроэлектрического материала, который в актуальном для калибровки датчика температуры температурном интервале претерпевает фазовый переход при, по меньшей мере, одной заданной температуре.
Изобретение относится, таким образом, к калибровке термометров по месту, при которой датчик температуры (первичный датчик) калибруется или валидируется при помощи находящегося, к примеру, также во вставке для термометра вторичного датчика (эталонного элемента). Фазовый переход и связанное с этим изменение, по меньшей мере, одной части физических свойств эталонного элемента могут быть использованы для калибровки датчика температуры. Эталонный элемент состоит при этом, по меньшей мере, частично из ферроэлектрического материала, который в актуальном для калибровки диапазоне температур претерпевает один или несколько фазовых переходов, в частности, в твердом состоянии. Эти фазовые переходы происходят при известных, фиксированных и стабильных в течение длительного времени - заданных значениях температуры. Если одна из этих температур фазового перехода, в частности точка Кюри, превышается, так что инициируется фазовый переход, то имеет место характерная кривая, в частности диэлектрической проницаемости ферроэлектрического материала, в качестве функции температуры, которая может быть использована для калибровки. Так как поляризация ферроэлектрического материала исчезает при возникающем в точке Кюри фазовом переходе от ферроэлектрического состояния к параэлектрическому. Материал, из которого, таким образом, по меньшей мере, частично состоит эталонный элемент, становится в этом случае параэлектрическим. Точно также фазовый переход от параэлектрического состояния к ферроэлектрическому состоянию материала, из которого, по меньшей мере, частично состоит эталонный элемент, может быть использован, естественно, и для калибровки или валидации датчика температуры.
Под ферроэлектрическим материалом, называемым также ферроэлектриком, следует понимать материалы, которые и без того, что к ним приложено электрическое поле, в частности ниже точки Кюри, имеют электрическую поляризацию. Эта поляризация объясняется кристаллической структурой ферроэлектрического материала. Если из такого ферроэлектрического материала изготавливается конденсаторный элемент, то может быть определено типичное, зачастую скачкообразное изменение диэлектрических свойств из-за соответствующего изменения его электрической емкости. Непрерывно возникающие изменения диэлектрической проницаемости с изменением температуры, как представлено, к примеру, в описании изобретения к патенту DE 4035952 - С1, для непрерывного измерения температуры при этом не учитываются. Только лишь в известной степени дискретные (почти скачкообразные) физические, то есть электрические или диэлектрические, изменения служащего в предпочтительном варианте в качестве диэлектрика конденсаторного элемента ферроэлектрического материала при фазовом переходе могут быть зарегистрированы и обработаны. Известными ферроэлектрическими материалами являются, к примеру, титанат бария, свинец-цирконат-титанат, стронций-висмут-титанат и т.д. Другие подобные ферроэлектрические материалы также известны из уровня техники.
Если в качестве эталонного элемента используется конденсаторный элемент, то измерение емкости конденсаторного элемента может осуществляться при этом в соответствии с известным из уровня техники принципом измерения емкости. Форма конденсатора и система электродов, которые образуют конденсаторный элемент, могут быть также выбраны произвольным образом. К примеру, возможны варианты осуществления в виде плоского конденсатора или в виде цилиндра.
В альтернативном варианте ферроэлектрический материал может быть использован также в виде подложки, на которую, к примеру, в тонкопленочной технике нанесены структуры резистора. Возникающие в точке Кюри или при других температурах в процессе фазового перехода кристаллической структуры изменения объема ферроэлектрического материала вызывают характеристическое изменение омического сопротивления структуры резистора.
Таким образом, предлагается эталонный элемент, который, будучи интегрированным в термометр, предоставляет в распоряжение типичную для материала температуру контрольных точек (к примеру, точку Кюри используемого, к примеру, в качестве диэлектрика ферроэлектрического материала). На ней датчик температуры может быть регулярно рекалиброван - то есть может быть определено отклонение его показаний от температуры контрольных точек.
В противоположность известному уровню техники не оценивается, таким образом, зачастую лишь ограничено известное, происходящее при особой температуре изменение характеристической кривой эталонного элемента, к примеру вторичного датчика, а также на основании изменяющихся во времени свойств эталонного элемента не делается выводов касательно свойств калибруемого датчика. Возникающие изменения характеристической кривой датчика температуры можно напрямую и существенно более точно, а также более воспроизводимым образом определять и документировать посредством такой калибровки контрольных точек в течение более длительного времени. На основании этого может быть осуществлена автоматическая самовалидация и прогнозирование дрейфа элемента датчика температуры. Как конкретная одноточечная калибровка на температуре контрольных точек, так и, соответственно, выведенный на основании этого механизм валидации и контроля старения термометра или датчика температуры, могут быть для этой цели реализованы в электронном устройстве обработки данных, к примеру в трансмиттере температуры.
Так, к примеру, на основании измеренной характеристической кривой емкости эталонного элемента может быть определено точное время фазового перехода при известной специальной температуре фазового перехода ферроэлектрического материала. На основании параллельно с этим непрерывно записанных измеренных значений калибруемого датчика температуры (к примеру, Pt100) можно, в частности, непосредственно в электронном устройстве термометра по обработки результатов по месту или же в более позднее время, или же на удаленном блоке обработки результатов, определить то измеренное значение температуры, которое наилучшим образом позволяет соотнести его с моментом фазового перехода и тем самым с известной температурой контрольных точек. Посредством определения разности между температурой, измеренной датчиком температуры, и заданной температурой контрольных точек осуществляется валидация и/или калибровка датчика температуры или термометра. Корректировка характеристической кривой датчика температуры, данные о погрешности измерения или данные отклонения характеристической кривой на определенном временном интервале или история этих отклонений также возможны.
В варианте осуществления устройства под ферроэлектрическим материалом понимается твердое вещество. По сравнению с известным уровнем техники это дает преимущество в том, что не имеется никакой субстанции для фиксации контрольных точек в виде жидкости и что не требуется никакой специальной камеры для размещения там субстанции для фиксации контрольных точек, и, таким образом, параметры срабатывания датчика температуры не оказывают негативного воздействия на изменения температуры.
В следующем варианте осуществления устройства ферроэлектрический материал имеет кристаллическую структуру, и при фазовом переходе кристаллическая структура ферроэлектрического материала изменяется. Помимо уже упомянутой точки Кюри и при других температурах может иметь место изменение кристаллической структуры ферроэлектрического материала. У титаната бария это происходит, к примеру, при температурах примерно -90°С и примерно 5°С. При этих других температурах также может быть установлено изменение в электрических или диэлектрических, или же в объемных свойствах ферроэлектрического материала и использовано для калибровки или валидации датчика температуры. В следующем варианте осуществления устройства ферроэлектрический материал имеет, таким образом, электрические или диэлектрические свойства, которые при фазовом переходе изменяются.
В следующем варианте осуществления устройства эталонный элемент имеет более одного ферроэлектрического материала, соответственно, с одной или несколькими эталонными температурами, которые также используются для калибровки или валидации термометра или датчика температуры. В частности, эталонный элемент состоит, по меньшей мере, частично из более чем одного ферроэлектрического материала.
В следующем варианте осуществления устройства фазовый переход, в частности изменение электрических или диэлектрических свойств ферроэлектрического материала, происходит скачкообразно, по меньшей мере, при одной заданной температуре. Это выражается, к примеру, в ступенчатой характеристической кривой диэлектрической проницаемости в зоне заданного значения температуры, то есть температуры фазового перехода.
В следующем варианте осуществления устройства эталонный элемент состоит из конденсаторного элемента с диэлектриком, причем диэлектрик конденсаторного элемента, по меньшей мере, частично состоит из ферроэлектрического материала. В случае конденсаторного элемента для калибровки может быть также использована тогда емкость или изменение емкости конденсаторного элемента. Емкость такого конденсаторного элемента, в частности, в зоне заданного значения температуры, то есть температуры фазового перехода, также имеет характеристическую, в частности, ступенчатую кривую.
В следующем варианте осуществления устройства при фазовом переходе изменяется объем ферроэлектрического материала. Вместо электрических или диэлектрических свойств для калибровки датчика температуры может быть использовано, как упоминалось ранее, возникающее при фазовом переходе изменение объема ферроэлектрического материала.
В следующем варианте осуществления устройства ферроэлектрический материал служит в качестве подложки для датчика температуры. В частности, датчик температуры и эталонный элемент могут располагаться на одной единственной подложке.
В варианте осуществления изобретения, по меньшей мере, при одной заданной температуре происходит фазовый переход ферроэлектрического материала подложки из ферроэлектрического состояния в параэлектрическое состояние, или из пароэлектрического состояния в ферроэлектрическое состояние, и/или между различными кристаллическими структурами. Для этой цели может быть использован подходящий ферроэлектрический материал, который, к примеру, согласован с диапазоном температур, в котором используется термометр или датчик температуры. Фазовый переход находящегося ниже точки Кюри ферроэлектрического материала, из которого состоит подложка, воздействует в этом случае, в частности, на проводимость или на омическое сопротивление помещенного на подложку датчика температуры. Это изменение может быть вызвано изменением электрического состояния материала, из которого состоит подложка, и/или изменением кристаллической структуры материала, из которой состоит подложка.
3
3
Ферроэлектрический материал, такой как свинец-цирконат-титанат (PZT) и, в частности, титанат бария ВаТiO и титанат стронция SrTiO, а также соединения двух последних материалов, имеют термически индуцированные фазовые переходы, причем появляются продольные деформации постоянной кристаллической решетки, которые опять же способствуют направленным изменениям объема подложки и обуславливают эффекты растяжения и сжатия нанесенных тонких пленок. Обусловленное этим изменение электрического сопротивления резисторного элемента может быть измерено. К примеру, чистый титанат бария кристаллизуется в полиморфные типы решеток в следующем диапазоне температур:
- кубические Т>120°С
- тетрагональные 5°С<Т<120°С
- ромбические - 90°С<Т<5°С
- ромбоэдрические Т<90°С
Измеренные изменения электрического сопротивления нанесенного на подложку резисторного элемента пригодны для определения, соответственно, имеющейся температуры фазового перехода.
В следующем варианте осуществления устройства ферроэлектрический материал служит в качестве подложки для изготовленного в тонкопленочной технологии или в толстопленочной технологии резисторного элемента. Изменение объема ферроэлектрического материала, в частности, в случае, когда датчик температуры нанесен на служащий в качестве подложки ферроэлектрический материал, может быть использовано для калибровки. Для этого может быть использовано характеристическое изменение в омическом сопротивлении датчика температуры в зоне заданной температуры.
В следующем варианте осуществления изобретения такой выполненной в тонкопленочное технологии элемент сопротивления, имеющий в качестве подложки ферроэлектрический материал, снабжен металлизированным слоем на нижней стороне подложки, то есть, к примеру, на противолежащей резисторному элементу стороне. Таким образом, возможно как изменение, в частности, омического резисторного элемента, так и при использовании резисторной структуры в качестве первого электрода и металлизированной нижней стороны подложки в качестве второго электрода измерение емкости образованного посредством этого конденсатора. Датчик температуры и эталонный элемент объединены, таким образом, в конструкции датчика и, в частности, вследствие этого подвергаются воздействию в основном одной и той же температуры (окружающей среды). Резисторный элемент может быть, будучи осуществлен, к примеру, как Pt 100, использован в качестве датчика для измерения температуры. Измерение емкости конденсаторного элемента может служить в этом случае для определения температуры фазового перехода и/или в качестве калибровочного эталона для резисторного элемента.
В следующем варианте осуществления устройства под заданной температурой понимается температура фазового перехода, и ферроэлектрический материал легирован примесными атомами, в частности, с целью оказания воздействия на температуру фазового перехода и/или на образование кристаллических доменов. В альтернативном варианте в качестве подложки для нанесения электропроводящих тонких пленок для измерения зависящего от температуры сопротивления может быть использована чистая субстанция, которая ниже точки Кюри, то есть заданной температуры или иными словами температуры фазового перехода, имеет ферроэлектрические свойства. При этом анизотропные кристаллические домены могут действовать с образование структуры.
Далее могут использоваться также соединения различных ферроэлектрических материалов. Эти соединения также имеют фазовые переходы, которые сопровождаются изменением объема подложки, и это изменение объема затем опять же воздействует на проводимость или сопротивление резисторного элемента и может служить для определения температуры и тем самым для калибровки (первичного) датчика температуры.
В следующем варианте осуществления устройства ферроэлектрический материал, в частности, для формирования подобных кристаллических доменов легирован двухатомными ионами щелочноземельного металла и/или ионами металлов подгруппы периодической системы элементов. Частичное дополнительное легирование или замещение двухатомными ионами щелочноземельного металла и/или ионами металлов подгруппы периодической системы элементов в следах или в концентрациях примесей ниже 1% может быть использовано для образования подобных кристаллических доменов в ферроэлектрической фазе ниже точки Кюри, чем, к примеру, в случае наличия чистого материала, к примеру титаната бария. Такие легирования инициирует при фазовом переходе в ферроэлектрическое состояние равномерное образование границ зерна и тем самым улучшенную воспроизводимость зависящего от температуры фазового перехода.
В следующем варианте осуществления устройства процент легирования ферроэлектрического материала двухатомными ионами щелочноземельного металла и/или ионами металлов подгруппы периодической системы элементов составляет до 1%.
В следующем варианте осуществления устройства ферроэлектрический материал, в частности, с целью оказания воздействия на температуру фазового перехода легирован стронцием, свинцом и/или титанатом. При этом посредством того, что, к примеру, титанат бария легируется стронцием в пределах свыше 1%, температура Кюри титаната бария примерно порядка 120°С может быть понижена до более низкой температуры.
В следующем варианте осуществления устройства процент легирования ферроэлектрического материала стронцием, свинцом и/или титанатом составляет до 80%. Чтобы отрегулировать процент легирования в пределах от 1% до 80%, в процессе изготовления агломерата к исходному материалу, лежащему в основе процесса спекания агломерации, вместо карбоната бария может быть добавлен, к примеру, карбонат стронция в соответствующем стехиометрическом соотношении. Дополнительное легирование, к примеру, свинцом, в пределах от 1% до 80%, приводит к повышению температуры фазового перехода. Для осуществления процесса спекания агломерации в этом случае к исходному материалу может быть добавлен карбонат свинца.
Фазовый переход, а тем самым и изменение объема ферроэлектрического материала при определенных обстоятельствах может находиться ниже петли гистерезиса. То есть фазовый переход наступает раньше или позже, в зависимости от того, происходит ли изменение температуры от температуры выше температуры фазового перехода к температуре ниже температуры фазового перехода или происходит ли изменение температуры от температуры ниже температуры фазового перехода к температуре выше температуры фазового перехода.
Далее выявило себя то обстоятельство, что на характер расширения подложки дополнительно оказывается воздействие посредством механических напряжений, возникающих при нанесении или покрытии, и этот характер расширения зависит, соответственно, от преобладающих норм нагрева или охлаждения.
В следующем варианте осуществления устройства служащее для поляризации ферроэлектрического материала напряжение может быть приложено к ферроэлектрическому материалу. Для этого устройство имеет соответствующие средства. Посредством приложения электрического напряжения может быть оказано воздействие на зависящее от температуры и при определенных обстоятельствах гистерезисное изменение объема подложки или ферроэлектрического материала. Так как посредством приложения напряжения может быть оказано воздействие на поляризацию кристаллических доменов, за счет которых достигается ферроэлектрический эффект. Посредством этого может быть оказано воздействие на переход между параэлектрической и ферроэлектрической фазами материала, из которого состоит подложка. В частности, полярность и сила приложенного напряжения могут варьироваться. В конце концов, таким образом - посредством приложения напряжения - можно воздействовать на гистерезисный режим фазового перехода и производить его оценку.
Приложение напряжения может также служить для вызова пьезоэлектрического эффекта, то есть, в частности, упругой деформацию, в данном случае положки. Возникающие в этом случае деформации подложки также воздействуют на резисторный элемент и его проводимость или на его сопротивление, причем проводимость или сопротивление резисторного элемента, в частности, во время параэлектрической и ферроэлектрической фазы материала, из которого состоит подложка, отличаются друг от друга. Это обстоятельство также может служить доказательством фазового перехода и может быть использовано для калибровки термометра или датчика температуры.
Далее могут быть зарегистрированы воздействующие на резисторный элемент, в частности на тонкопленочное покрытие, механические свойства релаксации или асимметрии зависящих от температуры сопротивлений, которые возникают при приложении или после приложения электрического напряжения к подложке. На основании различных физических, то есть механических и/или электрических свойств, к примеру параэлектрической и ферроэлектрической фаз, может быть обнаружено, таким образом, превышение температуры фазового перехода, в частности, точки Кюри.
В следующем варианте осуществления изобретения для оказания воздействия на фазовый переход вблизи или чуть ниже температуры фазового перехода, в частности точки Кюри, прикладывается электрическое напряжение, и это напряжение вызывает изменение длины порядка до 1%, предпочтительно до 0,1% длины подложки. Так, к примеру, в случае с чистым титанатом бария на основании приложенного напряжения уже можно наблюдать фазовый переход ниже точки Кюри порядка 120°С. При температурах выше точки Кюри пьезоэлектрический, вызывающий изменение длины эффект в силу пьезоэлектрических свойств теряется. Это опять же может быть использовано для калибровки термометра или датчика температуры.
В следующем варианте осуществления устройства служащее для поляризации подложки напряжение должно быть приложено, в частности, через конденсаторное устройство, которое состоит из двух электродов, между которыми расположена подложка. При этом резисторный элемент сам может быть использован как один из двух электродов конденсаторного устройства. На противолежащей стороне подложки вспомогательный электрод может служить тогда в качестве второго из двух электродов конденсаторного устройства.
Поляризация ферроэлектрического материала, в частности подложки, может быть осуществлена также посредством двух отдельных вспомогательных электродов. Эти вспомогательные электроды могут непосредственно окружать резисторный элемент или заключать его в пластинчатые, в частности, гребнеобразные или меандрообразные структуры. При этом два электрода могут быть электрически изолированы от резисторного элемента. Важным является лишь то, что создается, по меньшей мере, частично пронизывающее подложку электрическое поле, которое на ферроэлектрической фазе материала вызывает пьезоэлектрический эффект.
3
В следующем варианте осуществления устройства датчик температуры и эталонный элемент расположены в одной единственной верхней части датчика. Верхняя часть датчика является при этом частью термометра, которая подвергается воздействию среды, окружающей термометр, температура которого должна быть измерена. Эталонный элемент и датчик температуры могут быть вследствие этого тем самым подвержены воздействию в основном той же самой температуры окружающей среды. Это особенно полезно в отношении варианта предпочтительного использования термометра. Так как, к примеру, в промышленных установках по производству продовольственных товаров или в установках, в которых изготавливается фармацевтическая продукция и в которых применяются такие методы стерилизации, как мойка оборудования без разборки (сокращенно CIP) или стерилизация оборудования без разборки (сокращенно SIP), предложенное устройство может быть использовано. Так как в вышеупомянутых способах стерилизация производится с применением, к примеру, горячего пара или воды, с температурами в пределах от 120°С до 140°С. Этот процесс может быть затем использован для калибровки термометра. Так как, к примеру, титанат бария ВаТiO имеет точку Кюри 125°С, при которой, таким образом, происходит фазовый переход, и может быть, соответственно, использован в качестве материала для изготовления эталонного элемента.
Резисторный элемент, который изготовлен, к примеру, в тонкопленочной технологии и в качестве подложки имеет ферроэлектрический материал, и в случае необходимости оснащен вспомогательным электродом на противоположной стороне подложки, может быть, в частности, непосредственно наклеен или напаян на внутреннюю сторону верхней части датчика, так что образуется очень хорошее электро - или же теплопроводящее соединение между подложкой или резисторным элементом и стенкой термометра. Аналогичное устройство известно из выкладного описания изобретения DE 102005015691 А1. Как правило, металлическая стенка термометра служит в этом случае в равной степени и как конденсаторный электрод. Это устройство позволяет осуществить к тому же существенное уменьшение термического времени срабатывания и статически термически обусловленных отклонений измерений термометра.
Касательно способа задача в соответствии с изобретением решается посредством того, что для калибровки используется эталонный элемент, причем эталонный элемент, по меньшей мере, частично образован из ферроэлектрического материала и что при, по меньшей мере, одной заданной температуре для калибровки датчика температуры используется фазовый переход ферроэлектрического материала.
В варианте осуществления способа в качестве ферроэлектрического материала используется твердое вещество.
В следующем варианте осуществления способа за счет фазового перехода, по меньшей мере, частично состоящего из ферроэлектрического материала твердого вещества, кристаллическая структура, объем и/или диэлектрические или электрические свойства ферроэлектрического материала изменяются, причем, по меньшей мере, одно из этих изменений используется для калибровки датчика температуры.
Полученные от датчика температуры или эталонного элемента измеренные значения или измерительные сигналы могут быть, таким образом, обработаны. Измеренные значения или измерительные сигналы могут быть в этом случае использованы или для калибровки, и/или для контроля состояния датчика температуры или термометра.
В следующем варианте осуществления способа датчик температуры и эталонный элемент подвергаются воздействию в основном одной и той же температуры окружающей среды.
В следующем варианте осуществления способа термометр нагревается или охлаждается с целью индуцирования фазового перехода ферроэлектрического материала при заданной температуре. Нагревание или охлаждение термометра, в частности, той зоны термометра, в которой находятся датчик температуры и эталонный элемент, может быть получено либо посредством предусмотренного для этого нагревательного элемента, либо посредством самого процесса. Для этого может быть использован, к примеру, процесс CIP или процесс SIP в установке.
Поясненные в связи с устройством варианты осуществления изобретения могут быть, с необходимыми изменениями, использованы и на предложенном способе.
В следующем варианте осуществления способа используется легированный примесными атомами ферроэлектрический материал, в частности, с целью оказания воздействия на температуру фазового перехода и/или на образование кристаллических доменов.
В следующем варианте осуществления способа легированный двухатомными ионами щелочноземельного металла и/или ионами металлов подгруппы периодической системы элементов ферроэлектрический материал используется для образования подобных кристаллических доменов.
В следующем варианте осуществления способа легированный стронцием, свинцом и/или титанатом ферроэлектрический материал используется, в частности, для оказания воздействия на температуру фазового перехода.
В следующем варианте осуществления способа служащее для поляризации ферроэлектрического материала напряжение прикладывается к ферроэлектрическому материалу.
В следующем варианте осуществления способа служащее для поляризация подложки напряжение, в частности, посредством конденсаторного устройства, состоящего из двух электродов, между которыми располагается подложка, прикладывается к подложке.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется более детально на основании последующих чертежей, на которых представлено:
фиг.1 - схематичное изображение термометра с эталонным элементом в форме плоского конденсатора,
фиг.2 - схематичное изображение варианта осуществления изобретения, при котором датчик термометра образует электрод, выполненный в виде плоского конденсатора эталонного элемента, и
фиг.3 - схематичное изображение характеристической кривой диэлектрической проницаемости ферроэлектрического материала как функции температуры,
фиг.4 - схематичное изображение обработки измеренного значения в соответствии с вариантом осуществления предложенного изобретения, и
фиг.5 - схематичное изображение варианта осуществления, при котором изменение электрического сопротивления при температуре фазового перехода расположенного на подложке датчика температуры используется для калибровки.
Осуществление изобретения
Фиг.1 демонстрирует вставку ТЕ для термометра, в которой располагаются датчик S температуры, а также эталонный элемент К в форме плоского конденсатора. Датчик S температуры и эталонный элемент К при этом электрически изолированы друг от друга. Датчик S температуры подключен посредством четырехпроводной техники соединения, то есть предусмотрено четыре соединительных провода 4L, причем на два подается ток, а два других служат для снятия измеряемого напряжения. Разумеется, возможно также использование для датчика S температуры и других типов соединений, к примеру двухпроводной или трехпроводной техники соединения. Также возможно выбрать другой тип датчика S температуры, нежели представленный здесь измерительный резистор.
С целью предотвращения динамических и/или статических ошибок измерения эталонный элемент К, который, по меньшей мере, частично состоит из ферроэлектрического материала, располагается рядом с датчиком S температуры и имеет поэтому практически такую же температуру, что и датчик S температуры. На фиг.1 эталонный элемент К располагается во вставке ТЕ для термометра, в основном, на той же высоте, что и датчик S температуры, однако, на расстоянии от него. Эталонный элемент К состоит при этом из двух расположенных диаметрально друг другу электродов Е, которые посредством диэлектрика D отделены друг от друга, причем диэлектрик D состоит из ферроэлектрического материала, в данном случае из титаната бария. Вставка ТЕ для термометра может быть помещена, к примеру, в верхнюю часть датчика, которая состоит, к примеру, из защитной трубы. На защитной трубе, в свою очередь, может быть установлен преобразователь температуры, который предназначен для выработки измеренных значений на основании измерительных сигналов эталонного элемента и датчика температуры. Защитная труба должна иметь также рабочий присоединительный элемент, посредством которого она может быть подсоединена, к примеру, к резервуару в виде трубы или бака.
В примере осуществления изобретении в соответствии с фиг.1 предназначенным для калибровки датчиком S температуры является, к примеру, тонкопленочный резистор PtIOO, который посредством четырехпроводной техники соединения присоединен к электронному блоку обработки результатов. Электронный блок обработки результатов может располагаться при этом также в преобразователе температуры. Эталонный элемент К осуществлен в форме конденсаторного элемента с емкостью и посредством двухпроводной техники соединения подсоединен к неизображенному электронному блоку обработки результатов. Датчик температуры и эталонный элемент интегрированы во вставку ТЕ для термометра и посредством электрически изолирующего материала, изолятора I, зафиксированы на конце вставки для термометра. Принятые от датчика температуры и от эталонного элемента измерительные сигналы могут быть поданы, таким образом, с целью обработки результатов, в частности, на общий электронный блок обработки результатов. Под измерительными сигналами может пониматься выражающий собой, к примеру, емкость осуществленного в виде конденсаторного элемента эталонного элемента К измерительный сигнал или измерительный сигнал, выражающий собой сопротивление датчика температуры.
В соответствии с представленным на фиг.2 примером осуществления изобретения эталонный элемент совместно с датчиком температуры, то есть с первичным датчиком термометра, интегрирован в конструкцию датчика. Это означает, что, к примеру, ферроэлектрический материал функционирует как подложка для нанесенного на нее тонкопленочного резистора, или же что проволока термоэлемента или сопротивления обвита вокруг ферроэлектрического материала. Под предназначенным для калибровки датчиком S температуры понимается в предпочтительном варианте измерительный резистор Pt100. В противоположность варианту осуществления изобретения в соответствии с фиг.1 его чувствительный платиновый слой нанесен на подложку из ферроэлектрического материала. Поэтому подложка служит, с одной стороны, в качестве носителя датчика S температуры, в данном случае измерительного резистора, а, с другой стороны, однако, также и в качестве диэлектрика осуществленного в виде конденсаторного элемента эталонного элемента (вторичный датчик), так что образуется своего рода двойной датчик. Эталонный элемент и в примере осуществления в соответствии с фиг.2 осуществлен в виде конденсаторного элемента, причем служащий в качестве измерительного резистора датчика температуры платиновый слой образует электрод, так называемый передний электрод FE. На противоположной стороне подложки находится второй электрод, так называемый задний электрод RE. В предложенном на рассмотрение примере осуществления изобретения в соответствии с фиг.2 передний электрод FE имеет два соединительных провода, которые используются как для измерения сопротивления, так и для измерения емкости, в то время как задний электрод RE имеет лишь один соединительный провод для измерения емкости. Разумеется, возможны и другие целесообразные варианты расположения электродов и соединительных проводов, чтобы лишь на одной подложке объединить как измерительный резистор, так и электрическую емкость. Количество установленных соединительных проводов может быть соответствующим образом согласовано с используемой схемой измерения. Представленная на фиг.2 конструкция датчика может быть аналогично варианту осуществления в соответствии с фиг.1 интегрирована во вставку для термометра. Необходимые при определенных условиях пассивирующие слои или уменьшение растягивающего усилия соединительных проводов на фиг.2 для лучшей наглядности не обозначены.
ph
ph
В качестве материала для подложки в соответствии с вариантами осуществления изобретения с фиг.1 и фиг.2 может использоваться, к примеру, ферроэлектрик титанат бария, который примерно при 125°С имеет свою точку Кюри. При этой температуре происходит один из его фазовых переходов. Выше точки Кюри титанат бария имеет кубическую, а ниже - тетрагональную кристаллическую решетку. Титанат бария и при других температурах имеет фазовые переходы кристаллической структуры, которые также могут быть использованы для калибровки. То есть если термометр нагревают выше 125°С или охлаждают его ниже 125°С, индуцируется фазовый переход, при котором характеристическая кривая диэлектрической проницаемости принимает максимальное значение (см. фиг.3). Температура Т данного максимума для титаната бария точно известна и неизменна. Так как температура датчика S температуры измеряется одновременно, к примеру, с емкостью эталонного элемента, который в известной степени служит в качестве вторичного датчика, в микропроцессоре µС можно производить сравнение известной температуры Т фазового перехода с температурой, измеренной посредством датчика S температуры и определять погрешность датчика температуры.
ph
ph
ph
Фиг.3 демонстрирует характеристическую кривую диэлектрической проницаемости ξ, как функцию температуры Т в зоне, в которой при заданном значении T температуры имеет место фазовый переход ферроэлектрического материала. В частности, здесь показана характеристическая кривая диэлектрической проницаемости ξ титаната бария в точке Кюри. При температурах ниже или выше температуры Т фазового перехода диэлектрическая проницаемость ξ, изменяется лишь незначительно. Именно на заданной температуре диэлектрическая проницаемость ξ резко достигает своего максимума. Этот максимум диэлектрической проницаемости или же другие воспроизводимые точки, в частности, по ходу кривой вокруг температуры Т фазового перехода могут использоваться как контрольные или эталонные точки для калибровки датчика S температуры.
Фиг.4 демонстрирует схематичное изображение режима функционирования варианта осуществления предложенного на рассмотрение изобретения. Посредством датчика S температуры производится измерение ТМ температуры. Если под эталонным элементом К понимается конденсаторный элемент, к примеру, в соответствии с вариантом осуществления с фиг.1, то производится измерение емкости. В качестве измеряемых параметров эталонного элемента, которые используются для калибровки датчика температуры, возможны и другие физические параметры. Измерение емкости и определение температуры может быть произведено при этом посредством электронного блока обработки результатов. В микропроцессоре µC полученные таким образом измеренные значения емкости конденсаторного элемента и температуры датчика S температуры обрабатываются посредством того, что, к примеру, сравниваются друг с другом и/или с сохраненными в памяти величинами, и, соответственно, осуществляется калибровка датчика S температуры. Калибровка может осуществляться, к примеру, при наличии отклонения измеренного посредством датчика S температуры от фактически имеющегося значения температуры, которое превышает заданное пороговое значение. Микропроцессор может быть при этом также частью электронного блока обработки результатов. Измеренные значения эталонного элемента и датчика температуры могут быть также через электронный элемент на выходе термометра переданы, к примеру, на неизображенный удаленный электронный блок обработки результатов.
ph
ph
Фиг.5 демонстрирует следующий пример осуществления предложенного на рассмотрение изобретения. В качестве датчика S температуры выступает при этом резисторный элемент W, который нанесен на ферроэлектрический материал, служащий в качестве подложки. В представленном на фиг.5 примере осуществления изобретения резисторный элемент W располагается на подложке TS по форме меандра и подключен в четырехточечной технике соединения. На противоположной резисторному элементу W стороне подложки TS расположен, в частности, плоский вспомогательный электрод Н. При помощи вспомогательного электрода Н электрическое напряжение может прикладываться к подложке TS, так что электрическое поле, по меньшей мере, частично пронизывает, по меньшей мере, одну подложку. Посредством приложения электрического поля к подложке TS может быть инициирована механическая деформация подложки TS в соответствии с пьезоэффектом. На основании деформации можно сделать выводы о временной фазе материала, из которого состоит подложка TS. На основании этого можно сделать тогда заключении о том, была ли превышена температура Т фазового перехода. Эта температура Т фазового перехода служит тогда в качестве контрольной точки для калибровки резисторного элемента W. Далее посредством приложенного напряжения может быть индуцирована поляризация ферроэлектрической подложки TS. На основании индуцированной поляризации можно далее сделать также вывод о временной фазе подложки TS. Также посредством приложения напряжения можно добиться изменения поляризации доменов в ферроэлектрическом материале и, таким образом, осуществить воспроизводимый фазовый переход, в частности, между фазами с различными электрическими свойствами.
И в примере осуществления изобретении в соответствии с фиг.5, также как и в примере осуществления изобретении в соответствии с фиг.2, датчик температуры и эталонный элемент интегрированы в конструкцию датчика.
Возможны также другие варианты осуществления изобретения, к примеру, касательно контакта вспомогательного электрода Н и резисторного элемента с известными из уровня техники средствами. Далее имеется также большое количество известных специалисту возможностей, в частности, для того, чтобы в соответствии с примером осуществления предложенного на рассмотрение изобретения реализовать конденсаторное устройство.
Перечень ссылочных позиций
ТЕ вставка для термометра
2L соединительные провода для эталонного элемента
4L соединительные провода для датчика температуры
E электроды
D диэлектрик
FE передний электрод
RE задний электрод
I изолятор
T температура
ξ диэлектрическая проницаемость
ph
Т температура фазового перехода
S датчик температуры
K эталонный элемент
TM измерение температуры
KM измерение емкости
µC микропроцессор
AE электронный элемент на выходе
TS подложка
W резисторный элемент
4P контакты резисторного элемента
2P контакты вспомогательного электрода
H вспомогательный электрод
a первое направление расширения
c второе направление расширения