175885. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és készülék fizikai, kémiai folyamatok követésére és hőinek meghatározására
11 175885 12 Ta, Tr hőmérsékleteket. Mérések során, elsősorban <I>a hőáram változásával, a H izotermák sűrűsége és így a 4>0 hőáramok eloszlása valamint iránya térben (a szenzorban) és időben (a mérés során) szintén változik, hőörvények, hőveszteségek keletkezésére adva ezzel lehetőséget, ami az alapvetően irreverzibilis hővezetés irreverzibilitását növeli és kihatással van a mérés pontosságára. Az izotermák és a hőáramok megoszlásában egyetlen szimmetriaelem, a B szimmetriatengely fedezhető fel, amely mentén mozdulnak el a szélsőértékek. Átfogóan szemlélve megállapítható, hogy a szenzor érzékelő pontjainak termikus környezete nem azonos, különbségük időben is változó, a (4) illetve (10) egyenletek érvényességi feltétele nem teljesül, ami korlátozza a <Ta-4>r hőáramkülönbség és a AT hőmérsékletkülönbség jel közti arányos összefüggést, végső soron a kvantitatív mérések pontosságát. Példánkban az egyszerűségét, az endoterm folyamatokra érvényes viszonyokat taglaltuk, a 2. ábrán feltüntetett geometriai szimmetriával rendelkező szenzornál. Az összefüggések bonyolultabbak, elvileg is különbözőek az exoterm folyamatok és különösen a geometriailag aszimmetrikus szenzor esetében. Ebben keresendő az ok, hogy tartózkodnak az ilyen esetek részletes vizsgálatától. Röviden összefoglalva, az eddigi szenzorok instabilak, kvantitatív mérésekre még mindig korlátozott pontossággal alkalmazhatók, amelynek eredő oka a bonyolult viszonyokat teremtő aszimmetrikus működés kikényszerítése, holott a szimmetria általában a fizikai törvények [R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands, Mai fizika, 4. kötet, Műszaki Könyvkiadó, Bp. (1969) 148—161. old.], jelen esetben a síkra ható hőáram által létrehozott hőmérsékletmezőt leíró kétdimenziós Poisson egyenlet sajátsága. A találmány kiinduló pontját a jelen leírásból már egyértelműen következő, azon felismerés képezte, amely az eddigi szenzorok hibáinak eredendő okát tárta fel. A találmány lényege az az alapvető felismerés, hogy olyan szenzorfelépítést kell létrehozni, amely feloldja az ellentétet a hővezetési folyamat természete és a szenzor működése között, biztosítva a zavartalan hővezetési folyamat szolgáltatta legmagasabb termikus szimmetria tér- és időbeli állandóságát és olyan jelképzést, amely e szimmetriát ne csak a lehető legkevésbé bontsa meg, hanem kihasználva a szimmetria adta lehetőségeket, erre szervesen épüljön rá, elősegítve ezáltal a szenzor tökéletesebb működését. A találmány tárgyát képező szenzor megvalósulásához, ezen felismerés alábbi következményeit kellett még világosan leszögezni. Egy végtelen kiterjedésű homogén síkban, tehát a sík határfeltételeitől független, a sík zavartalan hővezetése révén kialakult hőmérsékletmezőben megjelenő termikus szimmetria időben állandó centrummal rendelkezik a hőáram támadáspontjában, amelyre körszimmetrikus. A homogén sík kiteijedését véges értékre csökkentve és a jelen esetben teljesülő egyik határfeltételt, a sík kerületén levő minden pont hőmérsékletének azonosságát rögzítve megállapítható, hogy a folyamat eredendő körszimmetriája akkor nem deformálódik, ha a sík geometriája a hőáram támadáspontjára centrikusán körszimmetrikus marad. Tehát a körszimmetrikus termikus szimmetria akkor valósulhat meg. ha a hővezető homogén sík körszimmetrikus geometriai szimmetriájával fedésbe kerül, szimmetriacentrumaik, a hőáram szimmetriájával fedésbe kerül, szimmetriacentrumaik, a hőáram támadáspontja és a geometriai szimmetriacentrum egybeesik. A szimmetriacentrumok egybeesése a geometriai és termikus szimmetriák azonosságát biztosítja, amely a körszimmetriánál alacsonyabb, de még centrikus szimmetriájú síkidomok (szabályos n-szögek) esetében is megfigyelhető, annak ellenére, hogy a hőmérsékletmező deformációja bekövetkezik és hőörvényképződés fellép. Ha a szimmetriacentrumok egybeesése hiányzik, mint az eddig szenzoroknál, hiába körszimmetrikus a szenzor, a termikus szimmetria nagymérvű redukciója és a szenzor működésében instabilitás jelentkezik. A körszimmetria megtartása a síkbeli hővezetés egyszerűbb viszonyait teremti meg, az áttekinthető exakt leírását is lehetővé teszi, amit a Poisson differenciálegyenlet egyszerű, elhanyagolásoktól mentes megoldása biztosít. Mindezek következménye, hogy a körszimmetrikus, termikusán homogén szenzor középpontjába kell a mérendő hőáramot bevezetni és e pontban vagy e körül kell az aktív hőmérsékletérzékelőket kialakítani. További következmény, hogy a differenciál mérési elvet egy szenzoron belül fel kell adni, elhagyva a referencia anyagot és tégelyt, mivel mégegy hőáram a szimmetriát megbontaná. így a referencia hőmérsékletet a szenzorban kialakult hőmérséklettel kell helyettesíteni. Az új referencia hőmérséklet mérés helyének kiválasztása nem lehet önkényes, hanem a körszimmetria megőrzése és az érzékenység kihasználása érdekében a lehető legnagyobb sugarú kör kerületére kell esnie. A jeladó differenciál hőmérsékletérzékelő kialakítása is körszimmetrikus legyen, huzalozása a szenzor síkjába simuljon és a lehető legkevésbé bontsa meg a szenzor homogenitását, az elkerülhetetlen inhcmogenitások körszimmetrikusak legyenek. Kivezetései a szenzor kevésbé érzékeny, a széléhez közel eső pontjaiban csatlakozzanak. Az itt összefoglalt, újszerű, a valódi hőárammérőkre általános érvényű felismerések következetes gyakorlati kivitelezésével, bármely típusú (termoelem, ellenállás, félvezető) hőmérsékletérzékelőből felépíthető, biztonságos működésű, zavaró környezeti hatásokkal szemben is stabilitással rendelkező hőárammérők, (szenzorok) valósíthatók meg. A 4/a ábra a találmány tárgyát képező hó'árammérő egy lehetséges, vákuumpárolt vékonyrétegű termoelemekből kialakított megoldását szemlélteti. A vákuumpárlást, vékony fémlemezből (pl.: alumínium vagy vörösréz) maratással készített, megfelelő mintázatú maszkon keresztül végezzük, amelynek kialakítására a 4/b ábra ad szemléletes képet, feltüntetve a jelen példában szereplő nyolcas diffe5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 6
