CN111630358B - 用于测量电功率电阻器的温度的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于基于功率电阻器的高频电路参数的测量结果来测量所述电阻器中温度的方法和设备。本发明不包括热电偶、专用温度传感器或热室的使用。
Description
发明领域
本发明涉及温度测量的技术领域，并且针对一种用于测量电功率电阻器的温度的方法和设备，特别地但并非仅仅用于管状封装的(tubular housed)功率电阻器。根据本发明的方法和设备允许避免使用热电偶或热传感器(例如，诸如NTC和PTC)以及与之相关的缺点。
背景技术
电功率电阻器且特别是管状封装的电功率电阻用作许多应用中的加热元件，这些应用属于广泛的技术领域：能源生产、工业过程、用于一般的塑料和工业机械的转换的机器、运输、空气调节和家用供热、集体餐饮、自动售货机、专业洗衣和熨烫、健康等。
管状封装的电功率器由如螺线管一样缠绕的电阻丝(通常由镍铬或铁铬铝制成)组成，电阻丝两端焊接到两个圆柱形端子引脚(terminal pin)上。包括焊丝和端子的结构被插入由金属材料(通常由钢合金制成)制成的圆柱形管内，称为护套，其构成管状电阻器的外部结构。
然后，通过插入合适的电绝缘体(其通常是粒状形态的氧化镁)将包括焊丝和端子的结构与护套绝缘。
氧化镁粉末借助于合适的条痕工艺(striation process)然后在管内被压实，以填充所有的空的空间：电线和护套之间的空的空间、电线的线圈之间的空的空间以及电线的线圈中每一个内的空的空间。有时(并非在所有应用中)，在金属护套的端部处获得的合适凹槽中还添加合适的密封材料，以防止水分进入管内，以及氧化绝缘的随之降低。
在操作期间，管状电阻器通过在两个引脚之间施加电势差V来供电。因此，具有与施加的电势差成比例的值的电流I在引脚和金属丝内部流动，导致等于I2R或等于V2/R的功率耗散，其中R是管状电阻器的电阻值。由于焦耳效应，这种功率耗散引起热增加，焦耳效应导致周围环境或管状电阻器浸入的介质变热。
根据用于测量电阻器护套的温度的最常用方法，需要在组装步骤期间以及在测试步骤和操作步骤期间都需要的操作，在护套表面上焊接热电偶或者应用合适的传感器(诸如NTC或PTC)或者仍然使用热室。这些方法通常难以实施，因为在使用热电偶并且护套由钢制成或者电阻器由蚀刻箔技术制成并且护套由塑料的薄膜覆盖的情况下它才发生，或者它们需要非常昂贵的设备(诸如热室)，或者它们仍然被限制在降低的温度范围内，例如在使用热传感器(诸如NTC或PTC)的情况下它才会发生。
因此，本发明的目的是响应引入用于测量功率电阻器的温度的新系统的需要，该系统不使用热电偶、热室或温度传感器，并且解决了上述问题。
本发明的其他目的、特征和优点将从以下通过解释而非通过限制的方式给出并在附图中示出的详细描述中变得更加明显，其中：
图1显示了考虑电阻器的低频特性的功率电阻器的等效电路；
图2显示了考虑电阻器的高频特性的功率电阻器的等效电路；
图3显示了48欧姆/1300瓦特的管状电阻器的电路参数R、L、G和C在22℃的温度下且在3至10M Hz的频率范围内作为频率的函数的趋势；
图4显示了48欧姆/1300瓦特的管状电阻器的电路参数R、L、G和C在22℃的和700℃的温度下且在3至10M Hz的频率范围内作为频率的函数的趋势；
图5显示了48欧姆/1300瓦特的管状电阻器的电路参数R、L、G和C在3MHz的频率下且在0至700℃的温度范围内作为温度的函数的趋势；
图6显示了48欧姆/1300瓦特的管状电阻器的电路参数R、L、G和C在10MHz的频率下且在0至700℃的温度范围内作为温度的函数的趋势；
图7显示了根据本发明的设备的第一优选实施例的框图；
图8显示了根据本发明的设备的第二优选实施例的框图；
发明概述
本发明涉及一种用于基于功率电阻器的高频电路参数的测量结果来测量所述电阻器中温度的方法和设备。本发明不包括热电偶、专用温度传感器或热室的使用。
参考图1和图2中所示的等效电路，只有当考虑低频操作时(例如，通常等于50或60Hz的标称使用频率时)，功率电阻器才可以被比作简单电阻器。相反，当考虑更宽的操作频率范围时，等效电路似乎更复杂，不仅要考虑焦耳效应产生热量的电功率，还要考虑高频下不再可忽略的无功功率和辐射功率。
更详细地，除了标称电阻值R之外，所述低频等效电路还包括被布置在电阻器的端子和护套之间且相对于所使用的绝缘体(例如氧化镁)的性质而言非常小的电导值G。
相反，功率电阻器的高频等效电路通常包括朝向电阻器的护套的串联阻抗Z和并联导纳Y，如图2所示。因此，除了标称电阻值R和电导值G之外，还存在串联电感L和电容C，串联电感L与电阻器内部采用的电阻丝的电抗行为相关且具体由缠绕所述电阻丝的线圈的几何形状给出，电容C位于电阻器的端子和护套之间，电容C说明护套内部采用的绝缘体(例如氧化镁)的电抗行为并且与所采用的电介质的性质和电阻器的几何形状相关。考虑到例如管状类型的功率电阻器，所述电容C的值可能受到形成护套的管的直径以及位于护套内部的电阻丝缠绕在其中的线圈的直径的影响。附图2中所示的高频功率电阻等效电路可被视为在MHz范围内有效。
电阻器的及其电阻R的高频特性以及前述寄生参数或高频电路参数(电导G、电感L和电容C)的计算是可以以一定精度执行的操作。由于上述电路参数R、G、L和C显示出对电阻器的温度的一定依赖性，因此本发明希望引入一种方法和设备，其适于通过测量表征高频电阻器的电路参数来确定功率电阻器的温度，该电路参数为：电阻器的导线的标称电阻值R、电阻器的端子和护套之间的电导值G、电阻器的导线的电感值L以及电阻器的端子和护套之间的电容值C。
根据本发明的设备可以被实现为测量工具，或者它可以有利地集成到功率电阻器的驱动和控制电路中，或者它可以被实现为永久地连接到电阻器的元件，可能适于执行已经生产且已经安装的电阻器的改装。
发明的详细描述
一般来说，功率电阻器的高频电路参数(R、G、L和C)是频率和温度的函数。基于上述电路参数作为温度的函数的趋势，因此能够将功率电阻器的电路参数值与电阻器的温度值联系起来。
附图3至6以举例的方式示出了在48欧姆/1300瓦特的管状电阻器的情况下上述电路参数的趋势。
图3显示了上述电路参数R、L、G和C在22℃的温度下且在3至10MHz的频率范围内作为频率的函数的趋势。
图4显示了上述电路参数R、L、G和C在22℃的和在700℃的温度下且在3至10MHz的频率范围内作为频率的函数的趋势的比较。
图5显示了上述电路参数R、L、G和C在3MHz的频率下且在0到700℃的温度范围内作为温度的函数的趋势。
图6显示了上述电路参数R、L、G和C在10MHz的频率下且在0到700℃的温度范围内作为温度的函数的趋势。
根据对上述电路参数R、L、G和C的检测到的趋势的分析，可能确定无疑的是所述参数可以用于确定电阻器的温度的准确指示。
特别地，电阻R和电容C相对于在0℃到700℃的温度范围具有基本线性的趋势，该趋势特征在于显著的斜率。更详细地，电路参数C显示了相对于温度的基本线性的增加趋势，该趋势特征在于在大约3MHz的频率下的增强斜率。类似地，电路参数R和G显示了相对于温度的线性增加趋势，其特征在于在大约10MHz的频率下的增强斜率。图4显示了电阻器的各种电路参数值之间的扩展较大的频率值。很明显，电阻器的电路参数且尤其是参数R、G和C十分适合于提供电阻器本身的温度的非常精确的指示。
在管状功率电阻器的领域中，考虑到上述高频电路参数的分散性(即，所述参数在所述参数所涉及的电阻器的生产批次内具有的值的范围)，参数C(电阻器的丝状体和护套之间的寄生电容)具有例如比参数R(电阻器的电阻)更恒定的值。
关于管状功率电阻器，参数C(电阻器的护套和丝状体之间的寄生电容)因此代表了用于执行根据本发明的间接温度测量的最精确、稳定且因此最方便的参数。对于由不同技术、材料和形状制成的功率电阻器，除了C之外的电路参数，例如诸如电阻R或电导G可能更适合于执行根据本发明的间接温度测量。
借助于在功率电阻器上进行的适当测量的结果或者将电阻器的电路参数值与相应温度值相联系的适当数学函数而绘制的适当转换表，将最终允许将电阻器的参数或电路参数的测量值转换成电阻器的温度值。
在附图7中显示了本发明的优选实施例，其中设置有护套33和两个端子32、35的功率电阻器31适于连接到电压或电流源36的端子，该功率电阻器31借助于合适的连接装置38与用于测量至少一个高频电路参数的装置相关联，该装置为了简单起见在下文中被表示为阻抗测量装置30。所述连接装置38用于将所述阻抗测量装置30的端子连接在所述电阻器31的第一端子32和护套33之间，并且将负载阻抗34连接在所述电阻器31的第二端子35和护套33之间。在该优选实施例中，通过两次测量，可以确定电阻器31的电阻R的值和其他高频电路参数(电导G、电感L和电容C)的值。
有利地，所述连接装置38可以包括耦合装置，该耦合装置适于将设备的高频部分与低频部分分开，以防止供应电阻器31的低频电功率干扰阻抗测量装置30，从而影响测量。所述耦合装置可以例如包括低通滤波器和高通滤波器的组合。
通过实现所述阻抗测量装置30，例如借助可编程频率阻抗计，通过借助所述连接装置在所述电阻器31的第二端子35和护套33之间连接两个不同的负载ZL1和ZL2 34，可以在不同频率处执行两个不同的测量。所述已知负载ZL1和ZL2 34也可以是开路和短路。
通过用Z指示两个端子32、35之间电阻器的阻抗，用Y指示所述端子32、35和护套33之间的导纳，用Vin和Iin指示由阻抗计分配的电压和电流，用Vout和Iout指示所述负载ZL1和ZL234上的电压和电流，并通过借助于ABCD矩阵描述电阻器，我们得到：
和
如所述，通过用ZL1和ZL2指示在两次测量中连接在所述电阻器31的第二端子35和护套33之间的已知负载，以及用ZM1和ZM2指示由阻抗计在所执行的两次测量中测量的阻抗值，我们得到所述端子32、35和护套33之间的导纳等于：
而两个端子32、35之间的电阻器阻抗等于：
由此，可以确定电阻器的电阻R的值和电导G的、电感L的和电容C的高频参数的值。
应当注意，利用所描述的测量类型，仅借助于两个不同的测量就可以确定功率电阻器的高频电路参数。
在本发明的另一个优选实施例中，如附图8所示，所述连接装置38适于将所述电阻器仅连接到所述电压或电流源36和所述阻抗测量装置30。因此，不需要所述负载ZL1和ZL234的进一步连接，并且要执行的测量仅有一个。所述阻抗测量装置30可以例如适于借助于测量与电阻器31的丝状体的电阻R相关的电压的和电流的模块以及它们之间的相位差来测量电阻器31的丝状体的电阻值R。可选地，所述阻抗测量装置30可以包括电容计。所述电容计可以基于专用集成电路或基于配备有能够测量电容值的技术的微控制器。
有利地，同样在这种情况下，所述连接装置38可以包括耦合装置，该耦合装置适于从所述电压或电流源36(即低频部分)电学滤波所述阻抗测量装置30(即高频部分)，从而防止供应电阻器31的低频电功率干扰阻抗测量装置30，从而影响测量。所述耦合装置可以例如包括低通滤波器和高通滤波器的组合。
在本发明的另一个优选实施例中，如附图8所示，所述连接装置38适于将所述电阻器交替地仅连接到所述电压或电流源36和所述阻抗测量装置30，以便在电阻器已经与标称电源电路绝缘之后执行测量。因此，不需要所述负载ZL1和ZL2 34的进一步连接，并且要执行的测量仅有一个。在电阻器已经与标称电源电路绝缘之后执行测量允许避免由于电压或电流源36而在测量电路中产生的可能干扰。所述阻抗测量装置30可以有利地适于借助于测量与所述电阻R相关的电压的和电流的模块以及它们之间的相位差来测量电阻器31的丝状体的电阻值R。
本发明的这个优选实施例可以立即应用于公共功率电阻器的各种应用领域，这也是因为所述功率电阻器在其正常操作期间经常以间歇的开/关模式供电，以便调节加热所用的功率，因此调节所述电阻器所插入其中的环境的或介质的温度。
在本发明的另一个优选实施例中，所述阻抗测量装置30由电容计组成，并且所述连接装置38适于交替地将所述电阻器连接到所述电压或电流源36和所述电容计，所述电容计可以基于专用集成电路或基于配备有能够测量电容值的技术的微控制器。
在本发明的另一个优选实施例中，所述阻抗测量装置30由借助于所述连接装置38与所述电阻器31相关联的高频信号发生器组成，以便为RC电路供电，其中R是电阻器31的内部丝状体的电阻，而C是电阻器31的端子32、35与其护套33之间存在的电容。在本发明的这个优选实施例中，检测前述RC电路的振荡频率，以便确定参数R和C的值，并因此确定功率电阻器31的当前温度值。
因此，根据本发明的设备适于测量功率电阻器31的温度，该功率电阻器31配备有护套33和用于连接到电压或电流源36的端子的两个端子32、35，因此在其最一般的实施例中包括：
阻抗测量装置30，
连接装置38，其适于将功率电阻器31的端子32、35和护套33连接到所述阻抗测量装置30，并将所述功率电阻器31的端子32、35连接到所述电压或电流源36；
控制和读取装置37，其适于读取由所述阻抗测量装置30测量的所述电阻器31的至少一个高频电路参数的值，以执行至少一个测量的高频电路参数和温度的值之间的转换。
有利地，本发明还可以包括适合的用户界面装置，该用户界面装置与所述控制和读取装置37相关联并且适于显示获得的温度值。
所述控制和读取装置37还可以包括微控制器，该微控制器适于容纳用于测量电路参数和温度之间的可能转换表以及测量电路参数和温度之间的可能转换函数。
最后，所述控制和读取装置37可以有利地集成到所述功率电阻器31的功率控制电路中，以便管理例如电阻器31的电源暂时关闭的时段内的测量步骤。
尽管已经参考特定的优选实施例描述和公开了本发明，但是应当理解，在由所附权利要求限定的保护范围内，包括所有可能的变型，这些变型在本领域技术人员的范围内。
Claims (34)
1.一种用于测量功率电阻器（31）的温度的设备，所述功率电阻器（31）设置有护套（33）和两个端子（32，35），所述两个端子（32，35）适于连接到电压或电流源（36）的端子，所述设备包括：
阻抗测量装置（30），其适于以预定频率测量所述功率电阻器（31）的至少一个寄生参数；所述至少一个寄生参数在包括所述功率电阻器（31）的串联电感L、在所述功率电阻器（31）的两个端子和所述护套（33）之间测量的电导G和在所述功率电阻器（31）的所述两个端子和所述护套（33）之间测量的电容C的组中进行选择；
连接装置（38），其适于将所述功率电阻器（31）的所述两个端子（32，35）和所述护套（33）连接到所述阻抗测量装置（30），以及将所述功率电阻器（31）的所述两个端子（32，35）连接到所述电压或电流源（36）；
控制和读取装置（37），其适于读取由所述阻抗测量装置（30）测量的所述功率电阻器（31）的所述至少一个寄生参数的值，以及适于执行至少一个测量的寄生参数的值和所述温度之间的转换。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，它还包括适合的用户界面装置，所述用户界面装置与所述控制和读取装置（37）相关联，并适于显示所获得的温度值。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述连接装置（38）包括耦合装置，所述耦合装置适于防止供应所述功率电阻器（31）的低频电功率干扰所述阻抗测量装置（30），从而影响所述测量。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述连接装置（38）包括耦合装置，所述耦合装置适于防止供应所述功率电阻器（31）的低频电功率干扰所述阻抗测量装置（30），从而影响所述测量。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述耦合装置包括低通滤波器和高通滤波器的组合。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述耦合装置包括低通滤波器和高通滤波器的组合。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，所述连接装置（38）还适于将所述阻抗测量装置（30）连接在所述功率电阻器（31）的第一端子（32）和所述护套（33）之间，并且将负载阻抗（34）连接在所述功率电阻器（31）的第二端子（35）和所述护套（33）之间。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，所述连接装置（38）适于将所述功率电阻器（31）交替地连接到所述电压或电流源（36）和所述阻抗测量装置（30）。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）适于测量所述功率电阻器（31）的丝状体的电阻值R。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）适于测量所述功率电阻器（31）的丝状体的电阻值R。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）适于测量所述功率电阻器（31）的丝状体的电阻值R。
12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）适于借助于测量与所述丝状体相关的电压的和电流的模块以及它们之间的相位差来测量所述功率电阻器（31）的丝状体的电阻值R。
13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）适于借助于测量与所述丝状体相关的电压的和电流的模块以及它们之间的相位差来测量所述功率电阻器（31）的丝状体的电阻值R。
14.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）适于借助于测量与所述丝状体相关的电压的和电流的模块以及它们之间的相位差来测量所述功率电阻器（31）的丝状体的电阻值R。
15.根据权利要求1-6中任一项所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）包括电容计。
16.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）包括电容计。
17.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）包括电容计。
18.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述电容计包括专用集成电路或适于测量电容值的微控制器。
19.根据权利要求16所述的设备，其特征在于，所述电容计包括专用集成电路或适于测量电容值的微控制器。
20.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述电容计包括专用集成电路或适于测量电容值的微控制器。
21.根据权利要求1-6、10-14和16-20中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）包括微控制器，所述微控制器适于容纳用于所述功率电阻器（31）的测量的寄生参数R、L、G或C与所述温度之间的转换的表格或所述测量的寄生参数与所述温度之间的转换函数。
22.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）包括微控制器，所述微控制器适于容纳用于所述功率电阻器（31）的测量的寄生参数R、L、G或C与所述温度之间的转换的表格或所述测量的寄生参数与所述温度之间的转换函数。
23.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）包括微控制器，所述微控制器适于容纳用于所述功率电阻器（31）的测量的寄生参数R、L、G或C与所述温度之间的转换的表格或所述测量的寄生参数与所述温度之间的转换函数。
24.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）包括微控制器，所述微控制器适于容纳用于所述功率电阻器（31）的测量的寄生参数R、L、G或C与所述温度之间的转换的表格或所述测量的寄生参数与所述温度之间的转换函数。
25.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）包括微控制器，所述微控制器适于容纳用于所述功率电阻器（31）的测量的寄生参数R、L、G或C与所述温度之间的转换的表格或所述测量的寄生参数与所述温度之间的转换函数。
26.根据权利要求1-6、10-14、16-20和22-25中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）集成在所述功率电阻器（31）的功率控制电路中。
27.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）集成在所述功率电阻器（31）的功率控制电路中。
28.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）集成在所述功率电阻器（31）的功率控制电路中。
29.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）集成在所述功率电阻器（31）的功率控制电路中。
30.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）集成在所述功率电阻器（31）的功率控制电路中。
31.根据权利要求21所述的设备，其特征在于，所述控制和读取装置（37）集成在所述功率电阻器（31）的功率控制电路中。
32.一种用于通过使用根据权利要求1所述的设备来测量功率电阻器（31）的温度的方法，所述功率电阻器（31）配备有护套（33）和端子（32，35），所述方法包括以下步骤：
a) 提供阻抗测量装置（30），
b) 将所述阻抗测量装置（30）连接在所述端子（32，35）中的至少一个和所述护套（33）之间，
c) 以预定频率读取由所述阻抗测量装置（30）测量的值，
d) 执行由所述阻抗测量装置（30）测量的值和所述温度之间的转换。
33.根据权利要求32所述的用于测量功率电阻器（31）的温度的方法：其中，a) 提供阻抗测量装置（30），b) 连接所述阻抗测量装置（30），和c) 读取由所述阻抗测量装置（30）测量的值的步骤包括：
α)将第一负载阻抗ZL1连接在所述端子（32，35）的第二端子和所述护套（33）之间，
β)以预定频率读取由所述阻抗测量装置（30）测量的值ZM1，
γ) 断开所述第一负载阻抗ZL1，
δ) 将第二负载阻抗ZL2连接在所述端子（32，35）的第二端子和所述护套（33）之间，
ε)以预定频率读取由所述阻抗测量装置（30）测量的值ZM2，
ζ)计算两个端子（32，35）之间的所述功率电阻器（31）的阻抗Z，以及所述端子（32，35）和护套（33）之间的导纳Y，
η)根据阻抗值Z或导纳值Y计算所述功率电阻器（31）的至少一个寄生参数L、G或C，并且其中执行所述转换的步骤（d）包括：
j) 在所述功率电阻器（31）的所述至少一个寄生参数L、G或C的值与所述温度之间执行转换。
34.根据权利要求32或33所述的用于测量功率电阻器（31）的温度的方法，其特征在于，所述阻抗测量装置（30）包括电容计。
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