ES2230577T3 - Procedimiento para la calibracion de elementos de resistencia electrica para la medicion de temperaturas, sobre soportes a base de vidrio, material vitroceramico o similares. - Google Patents
Procedimiento para la calibracion de elementos de resistencia electrica para la medicion de temperaturas, sobre soportes a base de vidrio, material vitroceramico o similares.Info
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Abstract
SE DESCRIBE UN PROCEDIMIENTO PARA CALIBRAR LAS RESISTENCIAS DE MEDICION DE TEMPERATURA EN SOPORTES DE VIDRIO, VITROCERAMICA O SIMILAR, EN PARTICULAR LAS RESISTENCIAS DE VIAS CONDUCTORAS SOBRE SUPERFICIES DE COCCION VITROCERAMICAS, QUE SE CARACTERIZA PORQUE PARA DETERMINAR LA CARACTERISTICA DE RESISTENCIA DE MEDICION DE TEMPERATURA, SE AVERIGUA LA TEMPERATURA ASOCIADA A UN VALOR DE RESISTENCIA MEDIDO MEDIANTE LA RESISTENCIA ELECTRICA DEPENDIENTE DE LA TEMPERATURA DEL MATERIAL DEL SOPORTE.
Description
Procedimiento para la calibración de elementos de
resistencia eléctrica para la medición de temperaturas, sobre
soportes a base de vidrio, material vitrocerámico o similares.
El invento se refiere a un procedimiento para la
calibración de elementos de resistencia eléctrica para la medición
de temperaturas, sobre soportes a base de vidrio, material
vitrocerámico o similares, en particular de elementos de
resistencia eléctrica de vías de conductores sobre superficies de
cocción a base de un material vitrocerámico.
Con el fin de mejorar la aptitud para el uso de
aparatos de cocina con una superficie de cocción a base de un
material vitrocerámico, es deseable medir e indicar la temperatura
en la zona de cocción, o usarla para el control del proceso de
cocción. Para esto, se pueden aplicar, por ejemplo, vías de
conductores sobre la cara inferior de la superficie de cocción en
la región de las zonas de cocción, y aprovechar la resistencia
eléctrica dependiente de la temperatura (resistencia eléctrica para
la medición de temperaturas) del material de las vías de
conductores. El sistema es utilizable para aparatos de cocción
calentados eléctricamente o con gas, así como también, entre otros,
para aparatos de parrillas para asar. Como materiales para las
vías de conductores se utilizan, en el caso de altas temperaturas de
funcionamiento, de modo preferido metales nobles (oro, platino), en
el caso de una baja temperatura máxima (por debajo de 400ºC)
también se puede utilizar plata. Este modo de efectuar la medición
de temperaturas se describe, por ejemplo, en el documento de
patente alemana DE 40.22.845 C2.
En el caso de los materiales para vías de
conductores, que usualmente se utilizan, la resistencia eléctrica
aumenta por lo general de un modo aproximadamente lineal con la
temperatura, y es bien evaluable con medios electrónicos en todo el
intervalo de temperaturas que interesan.
Sin embargo, resulta desventajoso el hecho de que
los elementos de resistencia eléctrica para la medición de
temperaturas, del tipo mencionado, están sujetos a un
envejecimiento en el caso de un uso habitual en la práctica. Con
ello, se puede modificar en un grado considerable la característica
de resistencia eléctrica y temperatura del elemento de resistencia
eléctrica para la medición de temperaturas:
Es típica, por ejemplo, en el caso de la
utilización de oro como material para las vías de conductores, una
modificación por envejecimiento del elemento de resistencia
eléctrica para la medición de temperaturas durante un período de
tiempo de funcionamiento de aproximadamente 2.000 h, que es usual
para superficies de cocción, a una usual temperatura de
funcionamiento de aproximadamente 600ºC, desde 14 hasta 15 \Omega
a una temperatura de 20ºC (R_{20}). Mediante el envejecimiento de
R_{20} desde 14 hasta 15 \Omega, la resistencia eléctrica de 14
\Omega que antes era correspondiente a 20ºC, se mide ya a -8ºC.
La resistencia eléctrica de 15,01 \Omega, que corresponde a una
temperatura de 50ºC, se alcanza ya a 20,3ºC, y la resistencia
eléctrica de 26,77 \Omega, que con anterioridad correspondía a
400ºC, se alcanza ya a 347ºC. Esto último corresponde a una
declinación, de todos los modos de 29,7 y respectivamente 53
grados, del indicador de temperatura. Además, también las
tolerancias de fabricación, en la producción de elementos de
resistencia eléctrica de vías de conductores, pueden conducir a
unas desviaciones situadas en los órdenes de magnitud antes
mencionados.
Es misión del invento poner a disposición un
procedimiento para la calibración de las resistencias eléctricas
para la medición de temperaturas, que antes se han descrito, que
tenga en cuenta la declinación en el indicador de temperatura, que
es debida a la fabricación y/o al envejecimiento.
El problema planteado por esta misión se resuelve
por medio de un procedimiento con todas las características de la
reivindicación 1.
El invento se aprovecha del hecho de que, en el
caso de soportes a base de vidrio, material vitrocerámico o
similares, en principio también la resistencia eléctrica del
material de soporte es apropiada para la medición de temperaturas,
si bien en general tan sólo a unas temperaturas más altas. El
término "material comparable" significa, en el sentido del
presente invento, cualquier material que tiene una característica
de temperatura y resistencia eléctrica que es comparable con la del
vidrio o material vitrocerámico. En este contexto, han de
mencionarse p.ej. materiales cerámicos técnicos y cristales, tales
como los de mica y cuarzo.
Seguidamente, se explica el invento, sin
limitación de la generalidad, en el ejemplo de un elemento de
resistencia eléctrica de vía de conductores, que se ha aplicado
sobre una superficie de cocción de material vitrocerámico. La
resistencia eléctrica de la vía de conductores representa entonces
la resistencia eléctrica para la medición de temperaturas. Resulta
sin embargo evidente que el presente invento es aplicable no
solamente a elementos de resistencia de vías de conductores sobre
superficies de cocción de materiales vitrocerámicos. También
presentan un gran interés otras posibilidades de utilización. Así,
p.ej., también en el caso de productos con componentes de vidrio,
tales como p.ej. puertas de hornos de cocción con lunas de vidrio,
es especialmente deseable una vigilancia de las temperaturas (p.ej.
durante un proceso de pirólisis). La temperatura interna del horno
de cocción durante el proceso de pirólisis, que es típicamente de
500ºC, conduce en efecto a una temperatura de la luna hasta por
encima de 300ºC, que está situada cerca del límite de carga de la
luna. Mediante una vigilancia de la temperatura de la luna, se pudo
evitar una destrucción de la luna debida a causas térmicas.
La utilización de los elementos de resistencia
eléctrica para la medición de temperaturas a base de materiales
vitrocerámicos, para la medición de temperaturas en el caso de
aparatos de cocina con superficies de cocción de materiales
vitrocerámicos, es conocida y se describe por ejemplo en los
documentos de patentes alemanas DE 21.39.828 C y DE 40.22.846 C2.
Usualmente se aplican para esto sobre la cara inferior de la
superficie de cocción de un material vitrocerámico, en la región de
las zonas de cocción, unas vías de conductores que son paralelas a
lo largo de un radio, que limitan y ponen en contacto al elemento
de resistencia eléctrica para la medición de temperaturas, a base
de un material vitrocerámico, en forma de franjas, situado
entremedias. También otras estructuraciones geométricas de tal
elemento de resistencia eléctrica para la medición de temperaturas,
a base de un material vitrocerámico, ya son conocidas y se
describen, p.ej., en los documentos DE 40.22.846 C2 y DE 40.22.844
C1.
La conexión entre la temperatura T_{GK} del
material vitrocerámico (GK) y la resistencia eléctrica R_{GK} del
sensor de material vitrocerámico se describe mediante una ecuación
de la forma
(1)T_{GK} = -
B/ (log(R_{GK})+
A)
con las constantes A y B
características para la respectiva forma geométrica del sensor y el
material
vitrocerámico.
Resulta desventajoso en un elemento de
resistencia eléctrica para la medición de temperaturas, a base de
un material vitrocerámico del tipo descrito, el hecho de que esta
resistencia eléctrica aumenta exponencialmente con una temperatura
decreciente, y a unas temperaturas por debajo de 250ºC es ya tan
alta, que ya no puede ser evaluada con los usuales medios
electrónicos. No obstante, la resistencia eléctrica de un material
vitrocerámico o de un vidrio, al contrario que las resistencias
eléctricas de vías de conductores, es muy estable frente a
fenómenos de envejecimiento durante el uso. También se pueden
despreciar ampliamente unas fluctuaciones de los valores de la
resistencia eléctrica que son debidas a la fabricación.
Típicamente, en el caso de una superficie de cocción a base de un
material vitrocerámico con los anteriores datos de funcionamiento
(duración, temperatura), la declinación en el indicador de una
resistencia eléctrica para la medición de temperaturas de
materiales vitrocerámicos está situada sólo en aproximadamente 3
grados. La resistencia eléctrica para la medición de temperaturas
de materiales vitrocerámicos es apropiada por consiguiente de una
manera sobresaliente como magnitud de referencia para la
calibración del elemento de resistencia eléctrica para la medición
de temperaturas de vías de conductores.
De acuerdo con el invento, por lo tanto, la
indicación de temperatura procedente del elemento de resistencia
eléctrica para la medición de temperaturas de vías de conductores
(que se envejece o modifica debido a la fabricación) se calibra con
la indicación de temperatura procedente del elemento de resistencia
eléctrica de medición de temperaturas, a base de un material
vitrocerámico (que es ampliamente estable). Esto tiene lugar en el
sistema electrónico de evaluación.
La calibración se lleva a cabo por regla general
a unas temperaturas comprendidas entre 250ºC y 600ºC. Por debajo de
250ºC, la resistencia eléctrica de medición de temperaturas de un
material vitrocerámico ya no es evaluable sin necesidad de más
medidas, por encima de 600ºC termina el intervalo de trabajo de los
aparatos de cocina. En principio, el procedimiento se puede emplear
hasta el límite de carga del material vitrocerámico, que es de
750ºC.
A continuación, se describen los fundamentos
físicos para la realización práctica del procedimiento de
calibración:
En el caso de la utilización de un material para
vías de conductores (LB) con una característica ampliamente lineal
de temperatura y resistencia eléctrica, p.ej. en el caso de oro o
platino, la conexión entre la temperatura T_{LB} de la vía de
conductores y la resistencia eléctrica R_{LB} de la vía de
conductores se describe por una ecuación de la forma
(2)R_{LB} =
R_{20}\text{*} (1+\alpha_{20}\text{*}
(T_{LB}-20))
o
bien
(3)R_{20} =
R_{LB}/ (1+\alpha_{20}\text{*}
(T_{LB}-20))
o
(4)T_{LB} =
((R_{LB}-R_{20}) / (R_{20}\text{*}
\alpha_{20}))+20
siendo R_{20} la resistencia
eléctrica de la vía de conductores a 20ºC y \alpha_{20} el
coeficiente de resistencia eléctrica a 20ºC. Los valores se
refieren a 20ºC, puesto que el coeficiente de resistencia eléctrica
\alpha_{20} es referido en la bibliografía usualmente a 20ºC.
La anterior conexión es válida sin embargo de manera análoga para
cualquier otra temperatura de
referencia.
Si la resistencia eléctrica no es variable de
manera lineal con la temperatura, la característica de temperatura
y resistencia eléctrica se puede representar en términos generales
por un polinomio
(5)R_{LB} =
R_{20}\text{*} (1+\alpha_{20}\text{*} (T_{LB}-20)
+(\beta_{20}\text{*} (T_{LB}-20)^{2} +\delta_{20}\text{*}
(T_{LB}-20)^{3}+...).
En el uso práctico, R_{20} y, en el caso de
elevados requisitos, también \alpha_{20} (y eventualmente
(\beta_{20} y \delta_{20}, etc.) están sujetos a las
desviaciones antes expuestas por envejecimiento del material para
las vías de conductores o por causa de las tolerancias debidas a la
fabricación.
La temperatura de la vía de conductores es
idéntica a la temperatura del material vitrocerámico
colindante:
T_{LB} = T_{GK}. Al realizar la calibración, por lo tanto, de acuerdo con el invento a una temperatura comprendida entre 250ºC y 600ºC, con la resistencia eléctrica R_{LB} medida de la vía de conductores se asocia la temperatura medida con un sensor de material vitrocerámico.
T_{LB} = T_{GK}. Al realizar la calibración, por lo tanto, de acuerdo con el invento a una temperatura comprendida entre 250ºC y 600ºC, con la resistencia eléctrica R_{LB} medida de la vía de conductores se asocia la temperatura medida con un sensor de material vitrocerámico.
En el caso de un \alpha_{20} suficientemente
constante, a partir de (3) se puede determinar el valor exacto de
R_{20}. Con este R_{20} corregido, ahora, a partir de (4), a lo
largo de todo el intervalo de temperaturas interesantes, desde la
temperatura ambiente hasta 600ºC, se puede determinar a partir de
R_{LB} un valor exacto de la temperatura de la zona de
cocción.
En el caso de que el coeficiente de resistencia
eléctrica \alpha_{20} no satisfaga los requisitos de exactitud,
en una ampliación del procedimiento expuesto, la calibración se
lleva a cabo a dos temperaturas situadas por encima de 250ºC. A
partir de los presentes valores se resuelve un sistema de
ecuaciones para R_{20} y \alpha_{20}.
Si la resistencia eléctrica, como en (5), no es
dependiente linealmente de la temperatura, se debe efectuar la
compensación a varios valores de las temperaturas, de manera tal
que se puedan determinar las incógnitas.
La compensación se puede efectuar al producirse
cada rebasamiento de una temperatura de 250ºC, o también solamente
de una manera periódica a mayores intervalos de tiempo, o en el
caso de unas condiciones especiales de funcionamiento (p.ej. el
funcionamiento de la zona de cocción sin vajillas). La calibración
se puede llevar a cabo por ejemplo en el caso de que sea mayor que
5ºC la desviación entre la medición de temperaturas sobre la base
del material de soporte y la efectuada sobre la base de la
resistencia eléctrica de la vía de conductores. De acuerdo con la
experiencia, una calibración después de 10 horas de funcionamiento
cada vez basta para garantizar una suficiente exactitud de
medición. Dado que la compensación se puede llevar a cabo en
aproximadamente 1 segundo, esto no constituye ningún obstáculo para
el funcionamiento. La calibración en el caso de un funcionamiento
de la zona de cocción sin vajillas, tiene la ventaja de que la
evacuación del calor, y por consiguiente el perfil de temperaturas
de la zona de cocción, se definen con mucha exactitud. Esto mejora
la exactitud de la calibración.
Seguidamente, se explica el procedimiento
conforme al invento con mayor detalle con ayuda de un Ejemplo de
realización.
Como sensores de temperaturas se utilizaron dos
vías de conductores a base de oro, que discurren paralelamente a
una distancia de aproximadamente 3 mm, con una longitud de 180 mm,
sobre un material vitrocerámico. Se midieron la resistencia
eléctrica a lo largo de una vía de conductores y la resistencia
eléctrica del material vitrocerámico entre las vías de conductores.
Ambos valores se asociaron con la respectiva temperatura del
material vitrocerámico, determinada con un sensor separado de
temperaturas (Pt 100) en un sitio del material vitrocerámico.
Para la resistencia eléctrica de una vía de
conductores se midieron, antes y después de un envejecimiento a lo
largo de 2.000 horas a aproximadamente 600ºC, los siguientes pares
de valores, y se calcularon los correspondientes coeficientes de
temperatura de la resistencia eléctrica \alpha_{20}:
\vskip1.000000\baselineskip
| "T_{\text{frío}}" | R_{20} | T_{LB} | R_{LB} | \alpha_{20} | |
| Estado nuevo | 14 \Omega | 400ºC | 26,77 \Omega | 2,4x10^{-3} | |
| 20ºC | 1/K | ||||
| Después de | 15 \Omega | 400ºC | 28,68 \Omega | 2,4x10^{-3} | |
| envejecimiento | 20ºC | 1/K |
El coeficiente de temperatura \alpha_{20}
calculado es específico para la estructura de medición utilizada y
para el correspondiente perfil de temperaturas a lo largo de la
longitud de las vías de conductores; éste se manifiesta como
amplísimanente estable en el caso de producirse un
envejecimiento.
Después del envejecimiento, la resistencia
eléctrica de 26,77 \Omega, de acuerdo con la ecuación (4), se
alcanza ya a la temperatura de 347ºC. Sin calibración, el sensor de
vías de conductores determina sin embargo una temperatura de
400ºC.
De acuerdo con el invento, se puede llevar a cabo
ahora, p.ej. a 400ºC, una compensación de la temperatura con el
sensor de material vitrocerámico, con una exactitud de \forall
3ºC.
En el caso de un \alpha_{20} constante y de
una medición 5 suficientemente exacta de la resistencia eléctrica,
se establece con la ecuación (3) la nueva resistencia eléctrica en
frío, con una exactitud de acuerdo con la ecuación (6), de R_{20}
= 15 \Omega \forall 0,06 \Omega. En tal caso corresponden
\DeltaT_{LB} = \Delta_{TGK} y T_{LB} = T_{GK}.
(6)\Delta
R_{20} = \forall \ *
-R_{LB}X\alpha_{20}/(1+\alpha_{20}XT_{LB}-\alpha_{20}X20)^{2} \ * \
X \ \Delta
T_{LB}
Con este nuevo valor de R_{20} \forall
\DeltaR_{20} se puede determinar ahora, de acuerdo con la
ecuación (4), la temperatura, p.ej. a 50ºC correspondiente a
R_{LB} = 16,08 \Omega, y con ayuda de la resistencia eléctrica
de la vía de conductores con una exactitud de acuerdo con la
ecuación (7), de \DeltaT_{LB} = \forall1, 8ºC.
(7)\Delta
T_{LB} = \forall \ * -R_{LB}/(\alpha_{20}XR_{20}{}^{2}) \ * \ X \
\Delta
R_{20}
Sin calibración, después del envejecimiento se
indicaría por el contrario a 50ºC correspondientemente a 16,08
\Omega, de acuerdo con la ecuación (4), una temperatura de
82ºC.
El procedimiento conforme al invento tiene la
ventaja de que con una estructura relativamente pequeña de aparatos
es posible una determinación muy exacta de las temperaturas
también durante prolongados períodos de tiempo de funcionamiento.
Así, p.ej. en el caso de las superficies de cocción a base de
materiales vitrocerámicos se puede escoger en la práctica una
disposición de vías de conductores, tal como se conoce a partir del
estado de la técnica antes descrito. Para ello, solamente es
necesario poner en contacto en ambos extremos una de las dos
franjas paralelas de vías de conductores para la determinación de
la resistencia eléctrica para la medición de temperaturas de vías
de conductores. Entre las dos vías de conductores se encuentra el
elemento de resistencia eléctrica en forma de franjas para la
medición de temperaturas de materiales vitrocerámicos, que colinda
y se pone en contacto con ambas vías de conductores, y se aprovecha
para la determinación de la temperatura real de la superficie de
cocción.
Claims (8)
1. Procedimiento para la calibración de elementos
de resistencias eléctricas para la medición de temperaturas sobre
soportes a base de vidrio, material vitrocerámico, material
cerámico técnico o cristal, en particular de elementos de
resistencias eléctricas de vías de conductores sobre superficies de
cocción a base de un material vitrocerámico,
caracterizado porque
para la determinación de la característica de
temperatura y resistencia eléctrica del elemento de resistencia
eléctrica para la medición de temperaturas, se determina la
temperatura asociada con un valor medido de la resistencia
eléctrica a través de la resistencia eléctrica, dependiente de la
temperatura, del material de soporte.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1,
caracterizado porque
la calibración se lleva a cabo a unas
temperaturas comprendidas entre 250ºC y 600ºC.
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1 ó 2,
caracterizado porque
la calibración se lleva a cabo cuando la
desviación entre la medición de temperaturas sobre la base del
material de soporte y la efectuada sobre la base de la resistencia
eléctrica de la vía de conductores, es mayor que 5ºC.
4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1 ó 2,
caracterizado porque
la calibración se lleva a cabo en cada caso
después de 10 horas de funcionamiento.
5. Procedimiento de acuerdo con por lo menos una
de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque
para la calibración, la temperatura se determina
a través de la resistencia eléctrica del material de soporte que
colinda directamente con el elemento de resistencia eléctrica para
la medición de temperaturas.
6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
5,
caracterizado porque
con el elemento de resistencia eléctrica para la
medición de temperaturas, que se ha de calibrar, está asociada una
vía de conductores sobre el soporte, y porque con esta vía de
conductores está asociada una segunda vía de conductores, que
delimita y pone en contacto, en común con una primera vía de
conductores sobre el soporte, a un elemento de resistencia
eléctrica para la medición de temperaturas a base del material de
soporte, y porque esta resistencia eléctrica de medición de
temperaturas se aprovecha para la determinación de la
temperatura.
7. Procedimiento de acuerdo con por lo menos una
de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque
en el caso de existir una relación matemática
conocida entre el elemento de resistencia eléctrica para la
medición de temperaturas, que se ha de calibrar, y la temperatura,
el número de los puntos de medición para calibración se escoge de
manera correspondiente al número de las magnitudes incógnitas en la
correspondiente ecuación matemática.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
7,
caracterizado porque
en el caso de una característica lineal de
temperatura y resistencia eléctrica del elemento de resistencia
eléctrica para la medición de temperaturas, en el caso de un
coeficiente \alpha_{20} de resistencia eléctrica suficientemente
constante, la medición para calibración se lleva a cabo solamente
a una temperatura > 250ºC.
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