温度极限值传感器的制作方法

本发明涉及一种包括监测单元和检测单元的用于监测可预定温度的系统，以及一种用于监测可预定温度的方法。因此，原则上涉及温度极限值传感器。借助于本发明的系统，可以监测例如是否超出或低于被测液体、材料或材料混合物或物品——例如零件或部件——的可预定温度，即超出该温度或下降到该可预定温度以下。

背景技术：

温度可以借助于温度计在针对其实施温度计的某个温度范围内连续确定。温度计在大多数不同的实施例中都是可用的。因此，存在利用已知膨胀系数的液体、气体或固体的膨胀来测量温度的温度计，或者诸如例如在应用电阻元件或热电偶的情况下将材料的电导率与温度相关联来测量温度的温度计。相比之下，辐射温度计——尤其是高温计——利用热辐射来确定物质的温度。大量出版物中描述了这些温度计中每一种的基本测量原理，因此在此不再详述。

原则上，为了确定温度，可以使用物理和/或化学的、与温度相关的许多不同的材料特性。在这种情况下，该特性可以是在某个特征温度点发生的特定特性的变化，尤其是突然变化，或者是特性的连续变化，例如以特征线或曲线的形式。例如，铁磁材料的居里温度是该材料的特征温度点。在这点上，从de4032092c2已知一种用于确定居里温度的方法，在这种情况下，借助于差示扫描热分析仪，在居里温度范围内检测到吸收的热量的突然变化。

参考材料的温度相关特性的连续变化，在de19702140a1中描述了一种利用温度传感器测量旋转支撑部件的温度的设备和方法，该温度传感器具有与温度相关的有时铁磁、有时顺磁性的材料，该材料在感兴趣的温度范围内表现出其极化的与温度相关的变化。另外，de04006885a1涉及一种非接触式温度测量，其涉及移动的——即运输的、优选地旋转的主体。放置在移动主体上的是lc组合，其在一个实施例中包括铁电电介质，并且考虑了lc组合的温度相关的谐振频率。因此，温度相关极化的特征线或曲线被考虑用于确定温度。

从de19805184a1已知的另一个示例描述了基于其电容来确定压电元件的温度。类似地，专利de69130843t2涉及一种用于确定压电晶体振荡器的温度的方法和设备。

de102013019839a1描述了一种具有传感器元件的温度传感器，用于使用至少一种铁电材料的介电常数的温度依赖性被动地确定温度。在这种情况下，温度测量基于传感器元件内的行进时间差进行。最后，从de010258845a1可知一种具有电容元件的温度测量设备，该电容元件包含电接触的介电材料，该介电材料随温度改变其介电特性。

对应的物理和/或化学、特定的温度相关材料特性基本上也适用于校准和/或验证温度计。例如，从de102010040039a1已知一种用于原位校准温度计的设备和方法，该温度计具有温度传感器和用于校准温度传感器的参考元件，在这种情况下，参考元件至少部分地由铁电材料构成，该铁电材料在与校准温度传感器相关的温度范围内的至少一个预定温度下经历相变。因此，校准基于铁电材料相变的特征温度点，即基于材料特定的特性来执行。根据安装的参考元件的数量，以这种方式，既可以执行所谓的1点校准和/或验证，也可以执行多点校准和/或验证。此外，从德国专利申请no.102015112425.4中已知一种尤其适用于多点校准的类似设备，该专利申请在本申请首次提交之日未公开。该申请描述的温度计包括至少一个温度传感器和至少两个参考元件，该至少两个参考元件经由正好两条连接线接触。参考元件至少部分地由两种不同的材料构成，每种材料在与校准温度传感器相关的温度范围内，在每种情况下，在预定相变温度下具有至少二阶的至少一个相变。de102010040039a1(us9091601)和de102015112425.4(us2018217010)以引用方式并入本文。

除了连续的温度测定之外，还有许多应用，在这些应用中，必须确保不超出或低于某个温度。在这点上，例如从de102006031905a1已知的是一种用于确定和/或监测液体的至少一个过程变量的设备，其包括传感器单元、外壳和温度超过元件。温度超过元件被放置在外壳中或外壳上，并且包括压电元件，其中压电元件的居里温度以居里温度处于设备的监测温度范围中的方式被选择。然而，为了发现是否超过了监测温度，不利的是，温度超过元件必须从外壳移除，或者以温度超过元件的极化在安装状态下是可查询的方式实施。这需要测量设备的特殊实施例。

技术实现要素：

从现有技术出发，本发明的目的是提供一种简单且通用的系统，借助于该系统可以以简单的方式监测温度极限值。

该目的通过权利要求1中定义的系统、权利要求14中定义的监测单元、权利要求15中定义的检测单元以及权利要求16中定义的方法来实现。

关于该系统，本发明的目的通过一种用于监测可预定温度的系统来实现，该系统包括：

-监测单元，其包括至少部分地由这样的材料构成的参考元件，在该材料的情况下，在相变温度发生至少一个相变，该相变温度处于预定温度的范围中，在该相变中，材料保持固相，以及

-检测单元，其被实施为基于参考元件特有的至少一个物理或化学参数的尤其是突然的变化来检测相变的发生，并且生成关于超出或低于可预定温度的报告。

因此，本发明涉及一种温度极限值传感器。借助于本发明的系统，可以以简单的方式监测例如是否超出或低于被测液体、材料或材料混合物或物品——例如零件或部件——的可预定温度。可预定温度尤其是可预定极限温度。根据具体实施例，有利的是，仅需要适当地将监测单元定位在例如特定的被测液体、材料或物质混合物的近旁，或者特定物品——例如，零件或部件——的紧邻处。因此，监测单元优选地以暴露于相同温度的方式布置。

检测单元可以与监测单元一起布置，或者替代地实施为根据需要应用的独立单元。然而，也可以选择将检测单元集成在例如测量设备的电子单元中或电子部件中。根据设想的应用，因此可以连续地进行可预定温度的监测，或者可根据需要例如在可预定的时间点或在可预定的时间间隔内检查超出或低于可预定温度。

在保持在固相的材料中的相变的情况下，根据例如埃伦费斯特分类，所涉及的是至少二阶的相变。与一阶相变相反，在相变期间没有或仅有可忽略不计量的潜热被释放。当没有或仅有可忽略不计量的潜热被释放时，除了别的以外，基本上并且独立于所选择的相变分类，可以有利地确保在相变发生的时间点借助于温度传感器测量的温度不会被破坏，特别是不会被释放的潜热破坏。

在现有技术中明显更常用的相变的附加分类中，仅在不连续的(一阶)和连续的(二阶)相变之间有所区别[比较例如lexikonderphysik,spektrumakademischerverlag,heidelberg,berlin,vol.4,标题为"undanderekritische"(phasetransformationsandothercriticalphenomena)]。根据这种分类，各种铁电材料可以与一阶和二阶相变两者相关联，其中在这两种情况下，发生相变的特定材料在相变期间保持在固相中。

保持在固相中对于本发明来说是重要的，而与相变的所选分类无关。相对于系统尤其是监测单元的结构方面，材料保持在固态尤其有利。

可以为本发明的系统提供一个或多个参考元件，其中每个参考元件可以具有一种或多种相变。因此，该系统还可以监测多个可预定温度。例如，在监测可确定的最大温度的情况下，在达到第一可预定温度时，可以输出警告。该第一温度与所选的最大允许温度具有可预定的温度间隔。在达到与最大允许温度的温度间隔小于第一可预定温度的第二可预定温度时，然后，例如可以输出更新的警告。替代地，也可以生成控制信号，通过该控制信号执行安全功能，例如部件的关闭程序等。

由于所选相变基本上发生在某个特有、固定且长期稳定的温度值，原则上有利的是，不需要考虑漂移和/或老化效应。

在一个实施例中，该材料是铁电材料、铁磁材料或超导体，尤其是高温超导体。至少一个相变相应地是从铁电状态到顺电状态或者相反、从铁磁状态到顺磁状态或者相反、或者从超导状态到正常导电状态或者相反的相变。

与相变的发生基本上相关联的是特定材料特性的变化。在本发明的情况下，构成特定参考元件的材料的材料特定变化是至少部分地已知的，并且可以被考虑用于监测可预定温度。

在本发明的系统的实施例中，特有的物理或化学参数是材料的介电、电或磁特性，例如磁或电极化或剩磁、电容或电感、或者晶体结构或体积。

现在将讨论监测单元和检测单元的许多可能的实施例。这些实施例并不代表排他性列表，而是本发明的系统的特别优选的实施例。此外，不同的实施例可以尽可能根据需要彼此结合。

一个实施例规定，参考元件是具有电介质的电容器元件，其中电介质至少部分地由下述材料构成：在该材料的情况下，在预定相变温度发生至少一个相变。对于该实施例，基于电容或依赖于电容的变量来检测所述至少一个相变的发生是相应有利的。

一个替代实施例包括参考元件是具有至少一个线圈和导磁主体的线圈布置，其中主体至少部分地由下述材料构成：在该材料的情况下，在预定相变温度发生所述至少一个相变。在该实施例的情况下，基于电感或依赖于电感的变量来检测所述至少一个相变又是有利的。

在一个实施例中，检测单元包括用于检测离开参考元件的场——尤其是电场或磁场——的变化的装置，其中检测单元被实施为基于场的变化来检测超出或低于可预定温度。例如，在相变期间，经历相变的材料的极化可能变化。对于铁电和铁磁材料尤其如此。

在这种情况下，有利的是，用于检测场的变化的装置包括用于检测力或力的变化的装置。力的变化例如以简单的方式指示所选材料的极化状态的变化。

另一个实施例规定，检测单元和/或监测单元包括用于施加场——特别是电场或磁场——的装置。优选地，用于施加场的装置以下述方式实施：场至少有时和至少部分地穿过参考元件的至少一个部件，尤其是至少部分地由发生所述至少一个相变的材料构成的至少一个部件。一方面，该场可以由例如系统的用户手动施加。然而，该场也可以在系统操作期间以可预定的时间间隔或者连续地施加。对于该实施例，有利的是，检测单元被实施为基于至少一个迟滞图和/或基于极化来检测超出或低于可预定温度。

在系统的附加实施例中，至少参考元件和监测单元和/或检测单元的至少一个其他部件至少有时是电振荡电路的一部分，其中检测单元被实施为通过振荡电路的谐振频率的变化来检测相变的发生。

独立于用于检测相变的发生的特定测量原理，根据本发明实施例的系统包括输出单元，该输出单元被实施为显示、输出和/或向外部单元传输超出或低于预定温度。输出单元例如与检测单元相关联。

在附加实施例中，该系统包括传输单元，尤其是包括rfid模块或蓝牙模块的传输单元，该传输单元被实施为用于至少无线传输超出或低于预定温度。例如，在基于振荡电路的谐振频率的变化检测到相变时，特定的谐振频率可以通过传输单元传输。同样，根据谐振频率的变化，可以修改传输单元的传输特性，例如发送频率或激励频率或激励灵敏度。这尤其涉及无源rfid模块。

包括传输单元的实施例基本上以特别简单的结构来区分。

有利地，该系统还包括能量供应单元，用于向监测单元、检测单元、输出单元和/或传输单元的至少一个部件供应电能。因此，该系统或该系统的至少一个部件能够以依靠外部能量源自给自足地工作的方式实施。当监测单元和检测单元被实施为单独的单元时，这尤其有利。例如，移动检测单元可以用于检测多个监测单元中相变的发生。

此外，本发明的目的通过应用于本发明的系统中的监测单元以及应用于本发明的系统中的检测单元来实现。

此外，本发明的目的是通过一种借助于本发明的系统监测可预定温度的方法来实现的，该方法包括以下方法步骤：

-基于参考元件特有的至少一个物理或化学参数的至少一个尤其是突然的变化来检测相变，以及

-当检测到相变时，生成关于超出或低于可预定温度的报告。

结合该系统解释的实施例也可以以必要的变更应用于传输单元、检测和/或方法，反之亦然。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，附图显示如下：

图1示出了本发明的系统的示意图，该系统具有监测单元和检测单元，监测单元和检测单元a)布置在一起和b)彼此分开；

图2示出了作为特有参数以及温度的时间函数的线或曲线的示意图，用于示出基于参数的变化来检测相变；

图3示出了作为(a)电容器元件和(b)作为线圈布置的参考元件的实施例的示意图；

图4示出了基于材料的极化的变化来检测相变，参考元件至少部分地由该材料构成；

图5示出了对于(a)铁电和(b)铁磁相变的情况，基于迟滞图来检测相变；以及

图6示出了基于振荡电路的谐振频率来检测相变，该振荡电路具有(a)电感和(b)电容形式的参考元件。

具体实施方式

在附图中，相同的元件在每种情况下都具有相同的附图标记。

图1以示例的方式示意性地示出了本发明的系统1的两个实施例。单个部件的许多其他实施例和布置是可能的，并且落在本发明的范围内。在每种情况下，存在监测单元2，监测单元2具有至少部分地由下述材料构成的参考元件3：在该材料的情况下，在处于预定温度tmin/max的范围中的相变温度tph下发生至少一个相变，其中材料保持在固相。此外，每个系统1包括检测单元4，利用该检测单元4，基于参考元件3特有的至少一个物理或化学参数的尤其是突然的变化和关于超出或低于可预定温度tmin/max而生成的报告来检测相变的发生。该报告可以例如借助于输出单元5输出，和/或传输到外部单元7中。

监测单元2和检测单元4可以如图1a所示布置在一起，或者如图1b所示实施为彼此分离的独立单元。监测单元2和检测单元4之间的通信既可以通过有线也可以通过无线进行。

图1a示出了具有与检测单元4直接接触的参考元件3的监测单元2，检测单元4又与输出单元5直接接触。借助于实施例的该示例中的输出单元5，关于超出或低于可预定温度tmin/max的报告通过有线传输到外部单元7。图1a的系统1基本上以单个部件的形式实施。

相比之下，在图1b的实施例中，向外部单元7发送超出或低于可预定温度tmin/max借助于传输单元6无线地进行。在该实施例中，检测单元4被实施为独立单元8。该单元8包括检测单元4、输出单元5和传输单元6。此外，单元8包括能量供应单元9，其向检测单元4、输出单元5和传输单元6供应电能。单元8相应地由能量源自给自足地供给，并且可以以移动方式应用。

如图2所示，本发明的至少一个相变的发生是基于参考元件3特有的至少一个物理或化学参数的尤其是突然的变化来检测的。上图示出了作为用于检测相变的特有的物理或化学变量g的时间函数的线或曲线。如果在参考元件3中发生相变，那么在图示示例中发生变量g的突然变化。检测到变量的突然变化的时间点是参考元件3达到相变温度tph的相变时间点tph。

下图示出了作为时间t的函数的温度t。发生相变的材料以相变温度tph位于监测的可预定温度tmin/max的范围内的方式选择。图2是可预定温度tmin/max不应被超过的情况。在这种情况下，以tph<tmin/max的方式选择参考元件3的材料是有利的，其中相变温度tph和可预定温度tmin/max之间的合适的温度间隔可根据应用来选择。在将相应的被测液体、材料或材料混合物或特定物品——例如零件或部件——加热到第一时间点t1的情况下，首先达到相变温度tph。例如，生成并输出关于达到相变温度tph的报告。在额外加热到第二时间点t2时，达到可预定温度tmin/max。由于相变温度tph和可预定温度tmin/max之间的可预定温度间隔被选择，因此可以例如确保在第一时间点t1和第二时间点t2之间，尤其是在额外加热的情况下，保留足够的时间，以防止超过可预定温度tmin/max。对于不应该低于可预定温度tmin/max的情况，类似的想法成立，因此不需要在此详述。相变温度tph和可预定温度tmin/max之间的温度间隔可以例如参照特定被测液体、材料或材料混合物或特定物品——例如零件或部件——的预期加热或冷却速率来选择。替代地，参考元件3的材料也可以以相变温度tph和可预定温度tmin/max基本对应的方式选择。在这种情况下，可预定的温度间隔基本为零。

作为示例，参考元件3的一些可能的实施例在图3中示出。例如，在铁电材料的情况下，适合的是电容器元件形式的参考元件3的实施例，如图3a所示。在这种情况下，发生相变的材料10形成电介质。此外，参考元件3包括两个电极11a和11b，在这里示出的示例中，电极11a和11b布置在材料10的两个直接相对放置的侧表面上，材料10被实施为基本上长方体，并且借助于两条连接线12a和12b电接触，以便例如检测参考元件3的电容c，并且基于电容c的尤其是突然的变化来检测相变。对于电容器元件形式的参考元件3的该实施例的其他细节，参考offenlegungsschriftde102010040039a1。

在参考元件3包括铁磁材料15的情况下，有利的是线圈装置形式的实施例，例如在图3b-3d中以示例的方式示出的。在参考元件3的这种实施例的情况下，检测相变的机会在于检测该装置的电感l的变化。在从铁磁状态到顺磁状态的相变时，发生相变的材料15的磁阻变化，因此，例如，该装置的电感l也变化。

在图3b的实施例中，参考元件3包括具有芯14的线圈13和由铁磁材料构成的导磁主体15。导磁主体15被布置成使得它至少部分地位于从具有芯14的线圈13发出的磁场b中。磁场由草图磁力线表示。在导磁主体15中发生相变时，磁场b变化，这是例如基于装置的电感l的变化可检测的。

应当注意，线圈13的芯14的使用是可选的。在图3b和3c中相应地示出了参考元件3作为没有芯的线圈装置的两个可能的实施例。此外，以示例的方式，一方面，图3d中示出的是磁场b1，当材料15处于铁磁状态时，该磁场占主导地位。此外，虚线所示的是磁场b2，当材料15处于顺磁状态时，该磁场占主导地位。

此外，应当注意，材料15、线圈13和芯14不一定需要一起布置在检测单元4内。同样，线圈13和/或芯14是传输单元6的一个或多个部分也是一种选择。

在特定系统1包括多个参考元件3的情况下，不同的参考元件3可以具有相同的构造或被不同地实施。优选使用在不同相变温度tph1、tph2,…下具有相变的材料。例如，至少一个参考元件3可以以电容器元件的形式实施，并且至少一个另外的参考元件以线圈装置的形式实施。此外，为了检测不同参考元件3的相变，检测单元4可以包括一个或者多个测量电路。例如，多个参考元件3可以集成在单个振荡电路中，以用于检测特定的相变。

为了检测特定相变的发生，提供了各种选项，它们都落在本发明的范围内。在接下来的附图中，将解释一些特别优选的实施例。然而，本发明绝不限于所描述的实施例。

检测相变发生的机会在于检测发生相变的特定材料10或15的极化的变化，如图4所示。例如，在相变发生期间，发生相变的材料10或15的极化可以变化。例如，在铁磁材料的情况下，基于电感l的变化——如图4b和4c所示；或者在铁电材料的情况下，基于电容c的变化——如图4d和4e所示，极化的变化可以被识别。

图4a示出作为时间t的函数的温度t。在第一时间点t1，发生相变，其中材料10或15的极化消失，如图4c和4e所示。在时间点t1之前，材料10或15在图4c的情况下处于铁磁状态，并且在图4e的情况下处于铁电状态。在时间点t1和再次发生相变的第二时间点t2之间，材料在图4c的情况下处于顺磁状态，并且在图4e的情况下处于顺电状态。相比之下，在时间点t2，材料返回铁磁(图4c)或铁电(图4e)状态。在顺磁状态和顺电状态下，材料的极化消失。结果，在铁电材料的情况下(图4d)的参考元件3的电容c或者具有铁磁材料10的参考元件3的电感l经历突然变化，这可以容易地被检测到。

基于极化检测相变的另一个机会在于考虑从参考元件3发出的场，例如材料的剩磁。从在开始时处于具有高极化的铁电或铁磁状态的材料发出的场在超过相变温度tph后将消失。所使用的铁电或铁磁材料的高极化的起始状态可以例如通过施加尤其外部的电场或磁场来产生。

在这种情况下，即使在返回铁磁状态或铁电状态(视情况而定)之后，在每种情况下，存在的极化不再对应于起始状态下的极化，如图4c和4e针对第二时间点t2的相变所指示的。

在这方面，以下应用是可以想象的：某些物品，例如电子组件或食品，在运输期间的任何时候不得超过某个可预定温度tmin/max。为了监测该可预定温度，将包括具有铁电或铁磁材料的参考元件3的监测单元2放置在物品上或其近旁。例如，通过施加电场或磁场，尤其是外部电场或磁场——其至少有时和/或部分地至少穿过具有相变的材料，参考元件3可以在开始时被极化。

对于该实施例，监测单元2和检测单元4有利地实施为分离的单元。

物品的极化可以在运输期间借助于检测单元4连续地或以可预定的时间间隔检测。相变的发生然后可以基于参考元件至少部分地由其构成的材料中极化的尤其是突然的变化来检测。替代地，相变的发生也可以尤其是在程序结束时，例如在运输之后检查一次。在这种情况下，例如，可以比较开始时——即，在起始状态下——和结束时的极化。如果在开始时和结束时的极化基本上不相等，那么可以由此确定至少在某时可预定温度tmin/max被超过。对于另一种应用，参考元件3可以通过施加合适的场而被重新极化。例如，可以在监测单元2或检测单元4中实现用于施加场的对应装置。

类似的想法也适用于不得低于某个可预定温度tmin/max的情况。因此，此处不再详细解释该示例。

特定极化的检测可以借助于适当实施的检测单元4基本上例如使用剩磁来进行。在这种情况下，剩磁或极化的存在可以例如基于电容或电感的变化来确定，如图4b和4d所示。然而，替代地，也可以执行力测量或迟滞测量。该示例对于不应该进行连续温度监测的情况尤其有利，但是，应该在可预定时间点检查超出或低于可预定温度tmin/max。

例如，在基于迟滞图(hysteresisdiagram)检测至少一个相变的情况下，可以使用对应于图5的实施例之一的参考元件的实施例。在图5所示的实施例的情况下，监测单元2和检测单元布置在一起。在这种情况下，参考元件3是检测单元4的电路的一部分。

为了记录迟滞图，通过施加时间动态电压udyn来记录发生相变的特定材料的极化的变化。该特定的迟滞图通过绘制作为udyn的函数的电压u1而得到。相变的发生可以例如基于电压udyn和u1的比率的变化来检测。

对于图5a的实施例，参考元件3是具有电容cref的电容器元件，诸如在图3a中所示。相应地，相变是从铁电状态到顺电状态，或者相反。在包括检测单元4的电路的情况下，这是所谓的索耶塔电路，其本身在现有技术中是众所周知的，因此这里不再详细描述。

相比之下，在图5b中示出了在具有电感lref的线圈装置形式的参考元件3的情况下用于检测相变的电路，诸如在图3b-图3d中的一个图中所示，其每一个包括铁磁材料。在每种情况下，电容c1以及电阻r1和r1都与施加的参考元件3匹配。

最后，同样可以将参考元件3实施为振荡电路的一部分，例如基于图6所示。在这种情况下，例如，基于振荡电路的谐振频率f0的变化来检测相变的发生。然而，振荡电路的其他特性，例如衰减、振幅响应或频率响应，也可以关于相变的发生来评估。

同样在图6中的实施例的示例的情况下，监测单元2和检测单元4布置在一起，其中参考元件3是集成到检测单元4中的振荡电路的一部分。

对于参考元件3形成为如图6a所示的具有电容cref的电容器元件的情况，适合的是具有电阻r1的rc振荡电路，该电阻被适当地根据参考元件3来选择。在这种情况下，例如作为rfid模块的元件的传输单元6可以有利地直接集成到振荡电路中。然后基于振荡电路的谐振频率f0的变化来检测相变，该谐振频率借助于传输单元6直接传输。

在参考元件3作为具有电感lref的线圈装置的实施例的情况下，如图6b所示，适合的是具有电阻r1和电容c1的rcl振荡电路，电阻和电容都是根据参考元件3来选择的。类似于先前的实施例，传输单元6集成到振荡电路中。

附图标记列表

1本发明的系统

2监测单元

3参考元件

4检测单元

5输出单元

6传输单元

7外部单元

8作为一个单元的检测单元、输出单元和传输单元

9能量供应单元

10铁电材料、电介质

11a、11b电极

12a、12b连接线

13线圈

14芯

15导磁主体，铁磁材料

g参考元件的特有参数

t温度

t时间

tph相变温度

tph相变时间点tph

tmin/max可预定温度

t1、t2第一、第二时间点

b、b1、b2磁场

cref参考元件的电容

lref参考元件的电感

udyn随时间动态变化的电压

u1电压

r1、r2电阻

c、c1电容

l、l1电感

p磁或电极化