加热器元件作为瞬态系统温度控制的传感器技术方案

提供了一种预测加热系统中的电阻加热元件的温度的方法。该方法包括获得电阻加热元件的电阻特性并补偿温度范围内的电阻特性的变化。电阻加热元件的电阻特性包括但不限于由于应变引起的电阻变化，由于冷却速率引起的电阻变化，由于暴露于温度引起的功率输出的变化，对温度关系的抵抗，对温度关系的非单调抵抗，系统测量误差，以及电阻特性的组合引起的电阻测量的不准确性。该方法包括基于先验测量和原位测量来解释和校准电阻特性。

Heater Element as Temperature Control Sensor for Transient System

A method for predicting the temperature of resistance heating element in heating system is provided. The method includes obtaining the resistance characteristics of the resistance heating element and compensating for the variation of the resistance characteristics in the temperature range. Resistance characteristics of resistance heating elements include, but are not limited to, resistance changes due to strain, resistance changes due to cooling rate, power output changes due to exposure to temperature, resistance to temperature relations, non-monotonic resistance to temperature relations, system measurement errors, and combination of resistance characteristics. The inaccuracy of starting resistance measurement. The method includes interpretation and calibration of resistance characteristics based on prior measurement and in-situ measurement.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】加热器元件作为瞬态系统温度控制的传感器
本专利技术涉及用于流体流动应用的加热和传感系统，例如车辆排气系统，例如柴油机废气和后处理系统。
技术介绍
本节中的陈述仅提供与本专利技术相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。物理传感器在诸如发动机的排气系统的瞬态流体流动应用中的使用由于诸如振动和热循环的恶劣环境条件而具有挑战性。一种已知的温度传感器包括位于热电偶套管内的矿物绝缘传感器，然后将其焊接到支撑托架上，该支撑托架保持管状元件。遗憾的是，这种设计需要很长时间才能达到稳定性，高振动环境会导致物理传感器损坏。在许多应用中，物理传感器还呈现实际电阻元件温度的一些不确定性，因此，在加热器功率的设计中经常应用大的安全裕度。因此，与物理传感器一起使用的加热器通常提供较低的功率密度，这允许较低的损坏加热器的风险，代价是更大的加热器尺寸和成本(相同的加热器功率分布在更多的电阻元件表面区域上)。此外，已知技术使用来自热控制回路中的外部传感器的开/关控制或PID控制。外部传感器的导线和传感器输出之间的热阻具有固有的延迟。任何外部传感器都会增加组件故障模式的可能性，并限制任何机械安装对整个系统的限制。用于流体流动系统中的加热器的一种应用是车辆排气装置，其耦合到内燃发动机以帮助减少各种气体和其他污染物排放到大气中的不期望的释放。这些排气系统通常包括各种后处理装置，例如柴油微粒过滤器(DPF)，催化转化器，选择性催化还原(SCR)，柴油氧化催化剂(DOC)，贫NOx捕集器(LNT)，氨泄漏催化剂，或改变者等。DPF，催化转化器和SCR捕获废气中包含的一氧化碳(CO)，氮氧化物(NOx)，颗粒物质(PMs)和未燃烧的碳氢化合物(HCs)。加热器可以周期性地或在预定时间被激活，以增加排气温度并激活催化剂和/或燃烧已经在排气系统中捕获的颗粒物质或未燃烧的碳氢化合物。加热器通常安装在排气管或诸如排气系统的容器的部件中。加热器可以包括排气管内的多个加热元件，并且通常被控制到相同的目标温度以提供相同的热输出。然而，温度梯度通常由于不同的操作条件而发生，例如来自相邻加热元件的不同热辐射，以及流过加热元件的不同温度的废气。例如，下游加热元件通常具有比上游元件更高的温度，因为下游加热元件暴露于已经被上游加热元件加热的具有更高温度的流体。此外，中间加热元件从相邻的上游和下游加热元件接收更多的热辐射。加热器的寿命取决于加热元件的寿命，该加热元件处于最恶劣的加热条件下并且首先会失效。在不知道哪个加热元件首先会失效的情况下很难预测加热器的寿命。为了提高所有加热元件的可靠性，加热器通常设计成以安全系数操作以避免任何加热元件的故障。因此，通常操作处于较不苛刻的加热条件下的加热元件以产生远低于其最大可用热输出的热输出。
技术实现思路
在一种形式中，本专利技术提供了一种预测电阻加热元件的温度的方法。该方法包括获得电阻加热元件的电阻特性，并进一步补偿各种温度范围内的电阻特性的变化。电阻加热元件的电阻特性可包括由于应变引起的电阻变化引起的电阻测量的不准确性，由于冷却速率引起的电阻变化，由于暴露于温度而导致的功率输出的变化，耐温度关系，非单调的温度关系，系统测量误差及其组合的至少一个。该方法还可包括基于先验测量和原位测量中的至少一个来解释和校准电阻特性的步骤。在一种形式中，先验测量包括由于时间引起的电阻变化，由于温度暴露引起的电阻变化，电阻加热元件温度，电阻滞后，发射率，加热到施加功率的瞬态速率，耐温度关系，局部dR/dT最大值，局部dR/dT最小值，加热到施加功率的特定瞬态速率，特定发射率及其组合中的至少一个。在另一种形式中，原位测量包括流体质量流量，加热器入口温度，加热器出口温度，环境温度，电阻加热元件温度，加热器附近的各种质量的温度，局部dR/dT最大值的电阻，局部dR/dT最小值的电阻，室温电阻，工作温度下的电阻，漏电流，施加到加热器的功率，以及它们的组合中的至少一个。本专利技术还提供了一种控制系统，用于确定和维持用于加热流体流动的加热系统的电阻加热元件的温度。该系统包括至少一个双线电阻加热元件和可操作地连接到双线电阻加热元件的控制器。控制器从双线电阻加热元件获得测量值，并且当比较提供有电阻加热元件测量值的系统数据时，可操作用于调节电阻加热元件的功率。根据本文提供的描述，其他适用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本专利技术的范围。附图说明为了可以很好地理解本公开，现在将通过示例的方式参考附图描述其各种形式，其中：图1是示出根据在本专利技术的开发中得到的实验数据的温度范围内的电阻-温度(R-T)特性的变化的曲线图；图2是示出根据在本专利技术的开发中得到的实验数据的不同电阻加热元件的输出的变化及其R-T特性的曲线图；图3是根据在本专利技术的开发中得到的实验数据的局部dR/dT最大值和dR/dT最小值和R-T特性的图表；图4是示出根据在本专利技术的开发中得到的实验数据的局部dR/dT最大值和R-T特性的另一图表；图5是根据在本专利技术的开发中得到的实验数据示出局部dR/dT最大值和局部dR/dT最小值和R-T特性的另一图表；图6是示出根据本专利技术的校准对加热器的R-T特性的影响的曲线图；图7是示出根据本专利技术的教导的实际测量的护套温度与建模的护套温度之间的比较的曲线图；和图8是示出根据本专利技术的教导构造的控制系统的框图。具体实施方式以下描述本质上仅是示例性的，并且决不旨在限制本公开，其应用或用途。还应该理解，方法内的步骤可以以不同的顺序执行而不改变本专利技术的原理。在本专利技术中，“先验”(先前已知)和“原位”(使用中)信息用于校准加热器的电阻元件，使得电阻元件可用作温度传感器以及加热元件。在一种形式中，该系统将双线控制与基于模型的控制相结合，以提高加热器寿命并减少电阻元件的热变化。双线加热器通常采用用于电阻加热元件的材料，其具有足够的TCR(电阻温度系数)特性，使得电阻加热元件可以用作加热器和温度传感器。在美国专利No.5,280,422；5,521,850和7,196,295中公开了这种双线加热器的例子，这些专利与本申请共同转让，其内容通过引用整体结合于此。适当的双线加热器材料可包括贵金属，铂金属合金，铜，镍，铬，镍-铁合金，铜，铂，镍，镍-铬合金，镍-硅，半导体材料，如硅，锗，砷化镓及其衍生物。这些材料仅是示例性的，不应被解释为限制本专利技术的范围。给定电阻加热元件的电阻特性由于应变引起的电阻变化，由于冷却速率引起的电阻变化，暴露于温度的输出变化，对温度关系的非单调电阻，系统测量误差而具有不准确性等。参照图1-3，示出了这些不准确性/变化，其中针对特定材料的多次使用示出了耐温度(R-T)关系(图1-3中的每一个对应于不同的材料)。参考图1，使用具有非单调关系的材料，其中特定电阻值对应于多于一个温度。例如，29.5ohms对应于300℃和790℃的温度。图2示出了从一次使用转移到另一次使用的温度阻力关系。图3示出了非单调行为，其中在三个不同温度下实现相同的电阻，并且还示出了在高温下使用后已经移位的温度关系。由于使用电阻测量温度的好处是在不使用单独的温度传感器的情况下准确地知道加热器温度，因此图1-3中所示的说明性效果使双线控制系统对许多系统/应用具有显着的限制。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测加热系统中电阻加热元件温度的方法，该方法包括获得电阻加热元件的电阻特性和补偿在温度范围内电阻特性的变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.02 US 62/302,4821.一种预测加热系统中电阻加热元件温度的方法，该方法包括获得电阻加热元件的电阻特性和补偿在温度范围内电阻特性的变化。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述电阻加热元件是镍铬合金。3.根据权利要求1所述的方法，其中电阻加热元件的电阻特性包括由于应变引起的电阻变化，由于冷却速率引起的电阻变化，由于暴露于温度引起的功率输出的变化，耐温度关系，非单调的温度关系，系统测量误差及其组合中引起的电阻测量的不准确性的至少一个。4.根据权利要求1所述的方法，还包括基于先验测量和原位测量中的至少一个来解释和校准电阻特性。5.根据权利要求4所述的方法，其中：先验测量包括由于时间引起的电阻变化，由于温度暴露引起的电阻变化，电阻加热元件温度，电阻滞后，发射率，加热到施加功率的瞬态速率，耐温度关系，局部dR/dT最大值，局部dR/dT最小值，加热到施加功率的特定瞬态速率，特定发射率及其组合的至少一个；和原位测量包括流体质量流量，加热器入口温度，加热器出口温度，环境温度，电阻加热元件温度，加热器附近的各种质量的温度，局部dR/dT最大值的电阻，局部dR/dT最小值电阻，室温电阻，工作温度下的电阻，漏电流，施加到加热器的功率，以其组合的至少一个。6.根据权利要求5所述的方法，其中dR/dT最大值和工作温度下的电阻变化可用作多点原位电阻校准。7.根据权利要求5所述的方法，其中，通过获得局部dR/dT最大值作为单点原位校准来校准和解释耐温度关系，并且该方法还包括调节耐温度特性的步骤。8.根据权利要求5所述的方法，其中通过获得本地dR/dT最大值和多个温度测量电阻来校准和解释温度电阻关系，其中该方法进一步包括确定多点原位温度校准电阻的步骤。9.根据权利要求5所述的方法，其中，通过获得局部dR/dT最大值和局部dR/dT最小值中的至少一个作为加热系统的稳态建模和加热系统的瞬态建模的至少一个的输入来校准和解释耐温度关系。10.根据权利要求5所述的方法，其中，通过将局部dR/dT最大值和局部dR/dT最小值中的至少一个与用于多点原位校准的热模型进行比较来校准和解释耐温度关系。11.根据权利要求5所述的方法，其中，通过获得原位加热系统信息来校准和解释耐温度关系，以校准耐温度特性，而不需要局部dR/dT最大信息和局部dR/dT最小信息中的至少一个。12.根据权利要求5所述的方法，其中通过从功率输入获得所述电阻与温度关系的斜率来校准和解释所述耐温度关系。13.根据权利要求5所述的方法，其中，通过获得电阻加热元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·P·卡伯特森，杰里米·奥泽，马卡·D·埃弗利，杰里米·J·匡特，詹姆斯·N·普拉顿，约翰·P·罗德，马克·Lg·霍芬，布雷特·瓦德维茨，张三宏，
申请(专利权)人：沃特洛电气制造公司，
类型：发明
国别省市：美国,US