175885. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és készülék fizikai, kémiai folyamatok követésére és hőinek meghatározására
15 175885 16 kör kerületén vagy a 21 szaggatott vonallal jelzett megoldás szerint a kör területén alakítjuk ki, ellátva ezeket a differenciál kapcsolás végett, a 22 összekötő vezetékekkel, valamint a jelkivezetést szolgáló felhegesztett 6 kivezetőhuzalokkal. A vékonyréteg ellenállások és vezetékek finom hálózata a hordozóra felvitt fémrétegből (pl.: platina, tantál, titán, nikkel stb.) fotolitografikus, homokfúvásos vagy lézeres eljárással alakíthatók ki. Ezen szenzor másik egyszerű elrendezése, ha a referencia hőmérsékletérzékelő előbbi kialakítását megtartva, az aktív hőmérsékletérzékelőt a kisebb sugarú kör területét egyenletesen befedő ellenállásréteg képezi. További megoldásként félvezető ellenállás anyagokból, ún. termisztor festékekből, nyomtatott eljárással kialakítva a hőmérsékletérzékelő ellenállásokat, a vékonyrétegű fóliatermisztoros szenzorhoz jutunk. Az elektromos jelet adó, bármelyik típusú hőmérsékletérzékelővel kialakított, új szenzor működése az alábbiakban foglalható össze: A szenzor szimmetriacentrumában támadó, mérendő <J>a hőáram a szenzor bármely átlója mentén azonos, egy A szimmetriatengellyel rendelkező hőmérsékletprofilt hoz létre, amint a 7/a ábrán látható. Az eddigi jelöléseken kívül, az aktív és referencia hőmérsékletérzékelők elhelyezésének, valamint a szenzor határának rA és tr valamint r„ sugarai, továbbá a H izotermák is fel vannak tüntetve. Az r<j> sugár, a T<i> hőmérséklet és a pontozott vonallal jelölt hőmérsékletprofil magyarázatára később térünk vissza. A szenzorban kialakult hőmérsékletmezőt a hőmérsékletprofilnak az A szimmetriatengely körüli elforgatásával létrejövő forgásfelület adja meg. Ennek exakt leírására, a körszimmetria miatt, elegendő a Fourier-féle hővezetési egyenlet iránytól független, sugármenti megoldása, amely a hőmérsékletprofil bármely két hőmérséklete, illetve a hőmérsékletmező bármely két izotermája közti összefüggést adja meg. Behelyettesítve a szenzor jellemző adatait az alábbi egyszerű egyenleteket kapjuk: <Í>A rA AT = Tr—Ta =--------- In— (12) 2 rr X 1 ír ahol: X = a szenzor átlagos (a hordozó és a differenciál hőmérséldetérzékelő együttes) hővezetési tényezője és 1 = a szenzor vastagsága. Az egyenlet jobboldalán, a <Í>A hőáram mellett szereplő paraméterek, egyetlen egyenletbe foglalhatók, amelyet a TA és Tr hőmérsékletű helyek közti R termikus ellenállást fejezi ki: ta Ennek bevezetésével a (12) egyenlet az (1) egyenlettel azonos alakra hozható: AT = R 4>a (14) amely a AT hőmérsékletkülönbség és a mérendő 4>a hőáram arányosságát adja meg, ahol az arányossági tényező, az R termikus ellenállás, egysége [C sec ■ cal A (14) egyenletből következik az is, hogy az R termikus ellenállás az egységnyi hőáram által létrehozott hőmérsékletkülönbséggel fejezhető ki, és így egyben azonos a szenzornak, mint hővezetési rendszernek az alapvető, a hőmérséklet méréstechnikai paramétereitől még független érzékenységével. A (13) egyenlet szerint a szenzor ezen érzékenysége legnagyobb mértékben az rA és tr sugarak viszonyával befolyásolható, amelynek logaritmusával egyenesen arányos. Az aktív és referencia hőmérsékletérzékelők helyei, a szenzoron bárhol kiválaszthatók az alábbi feltételek teljesítésével: °<rA<rR=ro (15) amely tág lehetőséget nyújt arra, hogy a szenzor érzékenységét jelentősen befolyásolhassuk, anélkül, hogy a szenzor működése módosulna. A (15) egyenlőtlenség-rendszerből értelemszerűen elhagytuk az aktív hőmérsékletérzékelők elhelyezését megszabó intervallum lezárását. Az rA = 0 pontban, a centrumban a (12) és (13) egyenleteknek szakadásuk van, nincsenek értelmezve, mert e pontban van a d>A hőáram támadáspontja, továbbá rA.= rR esetén a szenzor nem szolgáltat jelet. Az elérhető maximális érzékenység érdekében az rA/rR viszonyt kell a lehető legkisebbre választani, vagyis az aktív hőmérsékletérzékelő pontot, illetve pontokat a szenzor felhasználásának körülményeitől, az alkalmazott differenciál hőmérsékletérzékelő típusától, valamint az előállítási technológiától függően, a legkisebb sugarú körön kell elhelyezni, a referencia hőmérsékletérzékelőt pedig a lehető legnagyobb, rQ sugárhoz közeli sugarú körön. így például a termoelektromos lapkájú szenzornál az rA/rR viszonyra 1CT3 körüli nagyságrend érhető el, az eddigi szenzorok méretével (rQ = 1—3 cm) és a centrumába hegesztett, 0,05 mm átmérőjű termoelemhuzal sugarával (rA = 0,0025 cm) számolva. Szemben az eddigi szenzorokkal, a hőmérsékletérzékelők új elrendezése már eleve a szenzor hőtani viselkedéséből adódó, maximális érzékenység kihasználását biztosítja, és ezúttal azzal a szabadsággal is rendelkezünk, hogy az aktív hőmérsékletérzékelőt nem szükséges a hőáram támadáspontjában elhelyezni, hanem ezt az rR-nél kisebb, bármely sugarú körön megtehetjük a szenzor helyes működésének megbontása nélkül. A szenzor hőtani érzékenységének növelése tehát azonos a termikus ellenállásának növelésével, ami kedvezőtlenül befolyásolja, növeli a szenzor időállandóját is. A szenzor végső, méréstechnikailag felhasználható kalorimetriás E érzékenysége: cal ahol: S = az elektromos jelet adó, differenciál hőmérsékletmérő érzékenysége [mV/°C] egységben megadva. 5 10 15 2C 25 30 35 40 45 50 55 60 65 8
