175885. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és készülék fizikai, kémiai folyamatok követésére és hőinek meghatározására
17 17S885 18 A hőmérsékletmérő S érzékenysége olyan paraméter, amelynek növelésével (pl. a hőmérsékletmérő anyagának megválasztásával, a termoelemek számának növelésével vagy az ellenállás és félvezetős hőmérsékletmérők ellenállásainak megfelelő beállításával), az újtípusú szenzor E érzékenysége növelhető az időállandójának lényeges változása nélkül (4/a és 6. ábra), ha pedig változik a változás kedvező irányú (5/a ábra). Ennek oka, hogy az S érzékenység változtatása csak annyiban van kihatással az időálandóra, amennyire a differenciál hőmérsékletérzékelő huzalozása, a szenzor átlagos X hővezetési tényezőjén, valamint a szenzor 1 vastagságán keresztül befolyásolja az R termikus ellenállást, a hőtani érzékenységet. A 7/b ábrán a szenzor hőmérsékletmezőjének felülnézeti képe látható, feltüntetve a H izotermákat, közöttük külön kiemelve a jellemző hőmérsékleteket és a 4>0 hőáram néhány vonalát, valamint a C szimmetriacentrumot. A <í>a hőáram megváltozásával az izotermák elmozdulnak, sűrűségük megváltozik, továbbá a 4>0 hőáramok nagysága, de irányuk nem és így hőörvények, hőveszteségek nem képződnek. így tehát a szenzor termikus körszimmetriája térben állandó, a 4>a hőáram támadáspontjában rögzített és időben is mindig körszimmetrikus marad. Ebből következik, hogy az aktív és referencia hőmérsékletérzékelők körszimmeirikus rögzítése a , helyes, mivel így teljes kerületükön, bármely időpontban csak egy-egy izoterma helyezkedik el. A körszimmetria megvalósítása a szenzornak már egy belső stabilitást biztosít, amelyre minden aszimmetrikus szenzor törekszik, ezáltal idézve elő instabilitásukat. Ennek belátására térjünk vissza a 7/a ábrához. Ha a 4>a hőáram támadáspontja a szimmetriacentrumtól különbözik, akkor a 3/a ábrához hasonló, de egyoldalas hőmérsékletprofilt hoz létre. Megszüntetve 4>a hőáramot, magára hagyva a rendszert, a Ta hőmérsékleti szélsőérték nullára csökken, de eközben helye állandó mozgásban lesz a szenzor szimmetriacentruma felé és végül a kioltásának helye egybeesik vele, és a végső hőmérsékletprofil pedig a 7/a ábrán feltüntetett szimmetrikus profillal lesz azonos. A magára hagyott rendszer mindig belső egyensúly létrehozására törekszik, amiből következik, hogy a találmány tárgyát képező szenzorok a 4>a hőáram változásai közben egyensúlyi állapotokon haladnak át, működésükre reverzibilitás jellemző, 50 amelyek révén a szenzorok belső stabilitással rendelkeznek. A termodinamika II. főtétele szerint [Erdey-Gruz T., Schay G.: Elméleti fizikai kémia, I. kötet, Tankönyvkiadó Bp., (1962) 463—466. old.] minden természetes folyamat egyirányú, ir- 55 reverzibilis és energiaveszteséggel jár, az egyensúlyi állapot és folyamat, a reverzibilitás csak megközelíthetők az irreverzibilitás, az energiaveszteségek csökkentésével. Az eddigi szenzorokhoz képest jelen esetben is ez történt. Bár a szenzorok működé- 60 sét biztosító hővezetés transzport folyamat és ily módon eleve irreverzibilis, azonban irreverzibilitását csökkentettük, a hőáram és hőmérsékletprofil egyensúlyának megfelelő biztosításával, következésképpen az egyes energiaveszteségek mint pl.: a 65 hőörvényektől származó hőveszteségek kiküszöbölésével. Ezek végső következménye, hogy a (14) egyenlet AT—4>a lineáris összefüggése szigorúbban tel- 5 jesül és így az új szenzorok pontosabb és reprodukálhatóbb eredményeket szolgáltatnak. Érdemes megfontolni, hogy a szenzor ezen működése akkor is érvényesül-e, ha a szenzor szimmetriacentrummal ugyan rendelkezik, de csak sza- 10 bályos n-szög, ahol n S3 az oldalak számát jelenti. Ez esetben a hőmérsékletmező csak részben stabilis, a Ta hőmérséklet szélsőértéke a centrumban rögzített, de a hőmérsékletmező már nem forgásfelület, hanem a sokszög szimmetriáját hordozó gúla 15 felületéhez hasonló. E szimmetria időben is állandó, de a 4>a hőáram változására az izotermák alakja, a hőáramok iránya változik, hőörvénylést idézve elő, annál inkább minél kisebb az n. Legnagyobb mértékben a szabályos háromszögnél. így, 20 ha a hőmérsékletérzékelők elhelyezésében meg is őriznénk a sokszög szimmetriáját, ezeket mindig több izoterma metszené, a 4>a hőáram változásával. A körszimmetriához a szabályos n-szögből kiindulva az n = °°, mint elérhető határesetként 25 juthatunk. Az új szenzorok működését itt is endoterm folyamatok hőhatására, pozitív előjelű 4>A hőáramokra vizsgáljuk, azonban a hőáram előjelének megváltozása (exoterm hőhatás), az eddigi szenzorokkal ellentétben, nem okoz alapvető változást a szenzorok működésében, a megváltozott előjelű hőáram hőmérsékletprofiljához egyetlen szimmetriaművelettel az X-tengelyre történő tükrözéssel (lásd 7/a ábra) jutunk. Az új szenzorok tehát működésbeli szimmetriát mutatnak, a hőmérsékletprofilokat, a hőáramok előjelétől függetlenül, a (12) egyenlet írja le. Az új szenzorok, belső stabilitásuk folytán a környezetből jövő vagy beavatkozásoktól származó, a szenzorhoz hőáramot juttató, zavaró hatásokkal szemben is stabilisabbak, mint a hagyományosak. Az említett hatásokat célszerűen szintén szimmetrikus, amikor is a hatás hőáramsűrűség eloszlásában jelentkező szimmetria egybeesik a szenzor szimmetriájával, tehát a szenzort szimmetrikusan érő, vagy ezen feltételek teljesülése híján aszimmetrikus hatásokra oszthatjuk. A szenzorok működésében a legkisebb zavart érthetően a szimmetrikus hatások okozzák, amely körülményt szem előtt kell tartani az esetleges méréstechnikai beavatkozásoknál. A szimmetrikus hatásokra, a szenzorban olyan hőmérsékletprofil alakul ki, amelynek szélsőértéke arányos a hatás hőáramával és szélsőértéke szintén a szenzor centrumában van. Ezen hőmérsékletprofil a szenzorok hasznos, működésbeli hőmérsékletprofiljárá szuperponálódik. Mivel a hagyományos szenzorok hőmérsékletprofilja (lásd 3/a ábra) teljesen különbözik, a szuperpozíció miatt a működésük lényegesen kisebb behatásokra felborul, gyakran lehetetlenné téve alkalmazásukat. Az új szenzoroknál azonban e hatás és a mérendő hőáram a kimenő jelben additive jelentkezik, és így méréstechnikailag különválaszthatok. Gyakori eset, hogy a vizsgálatokat megfelelően ellenőrzött összetételű gázáramban szükséges végrehajtani, ahol a gázáram hőáram-9
