DE102004057482B4

DE102004057482B4 - Method and device for determining the humidity of a gas

Info

Publication number: DE102004057482B4
Application number: DE200410057482
Authority: DE
Inventors: Detlef Rengshausen
Original assignee: VERETA GmbH
Current assignee: VERETA GmbH
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: DE102004057482A1

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung der Feuchte eines Gases an einem Messpunkt (18), mit
– einer Umgebungstemperaturmesseinrichtung (14a, 14b) zur Messung der Umgebungstemperatur,
– einer Kühleinrichtung (6) zur Kühlung des Messpunktes (18), so dass die Temperatur am Messpunkt (18) gegenüber der Umgebungstemperatur sinkt,
– einer Messpunkttemperaturmesseinrichtung (16) zur Messung der Temperatur am Messpunkt (18), wobei die Messpunkttemperaturmesseinrichtung (16) eine Messpunkttemperaturmessstelle (16) aufweist,
– einem Substrat (4), auf dessen einer Oberfläche gemeinsam der Messpunkt (18), die Kühleinrichtung (6) und die Messpunkttemperaturmesseinrichtung (16) angeordnet sind,
– einer an die Kühleinrichtung (6), die Umgebungstemperaturmesseinrichtung (14a, 14b) und die Messpunkttemperaturmesseinrichtung (16) angeschlossene Auswerteeinrichtung (20), welche nach Feststellung, dass bei fortgesetzter Kühlung die Temperatur am Messpunkt (18) im wesentlichen nicht weiter sinkt, aus der dann am Messpunkt (18) gemessenen Temperatur unter Berücksichtung der gemessenen Umgebungstemperatur die Feuchte ermittelt, und
– einer Steuereinrichtung (28), die nach Feststellung, dass bei fortgesetzter Kühlung die...Device for determining the humidity of a gas at a measuring point (18), with
An ambient temperature measuring device (14a, 14b) for measuring the ambient temperature,
A cooling device (6) for cooling the measuring point (18), so that the temperature at the measuring point (18) decreases with respect to the ambient temperature,
A measuring point temperature measuring device (16) for measuring the temperature at the measuring point (18), the measuring point temperature measuring device (16) having a measuring point temperature measuring point (16),
A substrate (4), on whose surface the measuring point (18), the cooling device (6) and the measuring point temperature measuring device (16) are arranged together,
- One to the cooling device (6), the ambient temperature measuring means (14a, 14b) and the measuring point temperature measuring device (16) connected to the evaluation device (20), which after finding that with continued cooling, the temperature at the measuring point (18) substantially does not decrease further, from the temperature then measured at the measuring point (18), taking into account the measured ambient temperature, determines the humidity, and
- a control device (28), which after finding that with continued cooling the ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Feuchte eines Gases an einem Messpunkt sowie ein Verfahren zur Ermittlung der Feuchte eines Gases an einem Messpunkt mit Hilfe einer solchen Vorrichtung.The The invention relates to a device for determining the humidity of a Gas at a measuring point and a method for determining the Humidity of a gas at a measuring point by means of such a device.

Im Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der Feuchte eines Gases bekannt, welche auf Taupunktmessungen basieren.in the The prior art are methods and devices for detection the humidity of a gas, which are based on dew point measurements.

Eine herkömmliche Methode zur Messung des Taupunktes besteht darin, eine geeignete Fläche bis zur Bildung von Tau abzukühlen, den Moment der Taubildung zu erfassen und dann die Temperatur zum Zeitpunkt zu messen, zu welchem der erstmalige Tauniederschlag festgestellt wurde. Herkömmlicherweise ist die bei der Taumessung verwendete Fläche eine Spiegelfläche, wodurch der Tau auf optische Weise ermittelt wird, indem die Abschwächung des von der Spiegelfläche reflektierten Lichtes erfasst wird. Alternativ zum optischen Verfahren gibt es auch kapazitive Verfahren oder Verfahren, die auf der Messung der Abschwächung einer Oberflächenschallwelle basieren, die entlang der Tauoberfläche erzeugt wird, wobei die Tauoberfläche einen Teil eines elektrischen Messkreises bildet.A conventional Method for measuring the dew point is to use a suitable Area up to cool down to form dew, to capture the moment of dew formation and then the temperature to Time to measure at which the first Tauniederschlag determined has been. traditionally, the area used in the Taumessung is a mirror surface, whereby the dew is detected optically by the attenuation of the from the mirror surface reflected light is detected. Alternative to the optical process There are also capacitive methods or procedures that are based on the measurement the weakening a surface sound wave which is generated along the rope surface, wherein the dewing surface forms part of an electrical measuring circuit.

Die DE-PS 1 234 411 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Kondensationstemperatur von Dämpfen in Gasen, bei welchem ein Peltierelement verwendet wird, das als Kühlkörper wirkt und mit dessen kalter Verbindungsbrücke ein Messkörper wärmeleitend verbunden ist. Der Messkörper, der auf der kalten Verbindungsbrücke des Peltierelements angeordnet ist, ist als flache Kupferscheibe mit glatter Oberfläche ausgebildet. Die Temperatur des Messkörpers wird mit Hilfe eines Temperaturfühlers eines Thermoelementes gemessen, der an ein Instrument zur Anzeige des absoluten Temperaturmesswertes der Verbindungsbrücke angeschlossen ist, wobei die so gemessene Temperatur der Verbindungsbrücke bei langsamer Abkühlung praktisch der Temperatur des Messkörpers entsprechen soll. Ferner wird noch durch zwei elektrisch gegensinnig in Reihe geschaltete Thermoelemente ein Differentialthermoelement gebildet. Bei einer Ausführung berührt ein Messfühler des einen Thermoelementes den Messkörper und der Messfühler des anderen Thermoelementes die Verbindungsbrücke. Da die Verbindungsbrücke aus schlecht wärmeleitendem Material besteht, ist zwischen diesen beiden Messfühlern ein Wärmewiderstand wirksam, über den im Betrieb des Peltierelements Wärme entzogen wird, was zu einer Kühlung führt. Während die einen Klemmen der beiden Thermoelemente über eine Leitung miteinander elektrisch leitend verbunden sind, sind die beiden anderen Klemmen offen und ermöglichen einen Abgriff des am erwähnten Wärmewiderstand wirksamen Temperaturunterschiedes. Im Betrieb soll dem Messkörper durch langsames Abkühlen des Peltierelements stetig Wärme entzogen werden. Wird die Kondensationstemperatur erreicht, bildet sich auf der Oberfläche des Messkörpers Kondensat, das an dieser Stelle eine Wärmezufuhr bewirken soll. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur des Messkörpers nicht weiter absinkt, während sich das Peltierelement weiter stetig abkühlt. Die sich auf diese Weise bildende Temperaturdifferenz soll deshalb entstehen können, weil der Messkörper über den Wärmewiderstand vom Kühlkörper des Peltierelements thermisch entkoppelt ist. Diese Temperaturdifferenz führt am durch die Klemmen gebildeten Ausgang des Differentialthermoelementes zu einem Signal, welches als Auslösekriterium für die Anzeige des absoluten Temperaturmesswertes durch das Instrument benutzt wird. Dadurch wird als Kondensationstemperatur derjenige Messwert bestimmt, der zum Zeitpunkt des Auftretens der erwähnten Temperaturdifferenz vom Instrument angezeigt wird. Mit anderen Worten dient die er wähnte Temperaturdifferenz als eine Art Triggersignal für die Anzeige des Temperaturmesswertes durch das Instrument als Kondensationstemperatur.The DE-PS 1 234 411 discloses a method for determining the condensation temperature of vapors in gases, in which a Peltier element is used, which acts as a heat sink and with the cold connection bridge, a measuring body is thermally conductively connected. The measuring body, which is arranged on the cold connecting bridge of the Peltier element, is designed as a flat copper disk with a smooth surface. The temperature of the measuring body is measured by means of a temperature sensor of a thermocouple, which is connected to an instrument for displaying the absolute temperature value of the connecting bridge, wherein the temperature of the connecting bridge thus measured during slow cooling should practically correspond to the temperature of the measuring body. Furthermore, a differential thermocouple is formed by two thermoelements connected in series in opposite directions. In one version, one sensor of one thermocouple contacts the measuring body and the sensor of the other thermocouple touches the connection bridge. Since the connecting bridge consists of poorly heat-conducting material, a thermal resistance is effective between these two sensors, through which heat is removed during operation of the Peltier element, resulting in cooling. While the terminals of the two thermocouples are electrically conductively connected to one another via a line, the other two terminals are open and allow a tapping of the effective temperature difference at the mentioned heat resistance. In operation, the measuring body is to be continuously withdrawn by slow cooling of the Peltier element heat. If the condensation temperature is reached, condensate forms on the surface of the measuring body, which should cause a heat input at this point. This has the consequence that the temperature of the measuring body does not drop further, while the Peltier element continues to cool steadily. The temperature difference formed in this way should therefore be able to arise because the measuring body is thermally decoupled from the heat sink of the Peltier element via the thermal resistance. This temperature difference leads to the output of the differential thermocouple formed by the terminals to a signal which is used as a triggering criterion for the display of the absolute temperature reading by the instrument. As a result, the measured temperature is determined as the condensation temperature, which is displayed by the instrument at the time of occurrence of the mentioned temperature difference. In other words, he used temperature difference as a kind of trigger signal for the display of the temperature reading by the instrument as the condensation temperature.

Zwar befindet sich das eine Thermoelement in direkter Berührung mit dem Messkörper, jedoch ist für die Bestimmung der Kondensationstemperatur in diesem Stand der Technik zusätzlich zu dem mit dem einen Thermoelement elektrisch gegensinnig in Reihe geschalteten zweiten Thermoelement auch noch ein weiterer Temperaturfühler vorgesehen. Dieser zusätzliche Temperaturfühler ist in diesem Stand der Technik auch von Nöten, da weder das eine Thermoelement für sich allein, noch im Zusammenwirken mit dem anderen Thermoelement zur Messung der Temperatur am Messkörper abschließend in der Lage ist. Vielmehr dient in diesem Stand der Technik, wie bereits zuvor ausgeführt, der zusätzliche Temperaturfühler zur Messung des augenblicklichen absoluten Temperaturmesswertes. Aber auch der zusätzliche Temperaturfühler ist für sich allein nicht in der Lage, wenn überhaupt, die Kondensationstemperatur anzugeben. Vielmehr ist hierfür im Stand der Technik ein Temperaturdifferenzsignal erforderlich, das aufgrund der beiden Thermoelemente erzeugt und als Trägersignal für das am zusätzlichen Temperaturfühler angeschlossene Instrument benutzt wird. Derjenige absolute Temperaturmesswert, der zum Zeitpunkt des Auftretens des Temperaturdifferenzsignals durch das Instrument angezeigt wird, wird dann als Kondensationstemperatur angenommen.Though is the one thermocouple in direct contact with the measuring body, however, it is for the determination of the condensation temperature in this prior art additionally to the one thermocouple electrically in opposite directions in series switched second thermocouple also provided another temperature sensor. This additional temperature sensor is in this state of the art also needed, since neither the one thermocouple for themselves alone, in cooperation with the other thermocouple for Measurement of the temperature at the measuring body finally be able to. Rather, in this prior art, such as already executed before, the additional one temperature sensor to measure the instantaneous absolute temperature reading. But also the additional temperature sensor is for themselves alone unable, if at all, indicate the condensation temperature. Rather, this is in the state The technique requires a temperature difference signal, due to generated by the two thermocouples and as a carrier signal for the additional temperature sensor connected instrument is used. The absolute temperature reading, at the time of occurrence of the temperature difference signal indicated by the instrument is then called the condensation temperature accepted.

Denn aufgrund der in diesem Stand der Technik verwendeten Anordnung und der daraus resultierenden physikalischen Zusammenhänge ist das als Kühlkörper wirkende Peltierelement im Kühlbetrieb stets kälter als der Messkörper. Dieser Effekt wird noch dadurch unterstützt, dass der Messkörper vom übrigen Peltierelement durch die Verbindungsbrücke getrennt ist, welche aus einem schlecht wärmeleitenden Material bestehen und deshalb einen Wärmewiderstand bilden soll, über den der Messkörper von dem als Peltierelement vorgesehenen Kühlkörper ”temperaturmäßig entkoppelt” sein soll. Denn erst aufgrund dieser thermischen Entkopplung soll es möglich sein, dass sich unabhängig vom Temperaturverlauf des Messkörpers das Peltierelement weiter stetig abkühlen und somit die für die Triggerung des Instrumentes erforderliche Temperaturdifferenz entstehen kann. Da aber das Peltierelement aus den genannten Gründen ständig kälter als der Messkörper ist, findet eine Betauung am Peltierelement bereits stets vor einer Betauung des Messkörpers statt. Der Kühlkörper des Peltierelements wird somit immer vor dem Messkörper betauen. Sobald dann nach Betauung des Kühlkörpers des Peltierelements auch der Messkörper betaut, herrscht sowohl am Messkörper als auch am Kühlkörper des Peltierelements im Wesentlichen dieselbe Kondensationstemperatur. Dies wiederum hat zur Folge, dass ein Temperaturdifferenzsignal an den Klemmen gerade nicht entsteht. Fehlt das Temperaturdifferenzsignal, so ist es nicht möglich, aus der Anzeige des absoluten Temperaturmesswertes durch das Instrument den die Kondensationstemperatur angebenden Temperaturmesswert zu ermitteln.Because of the arrangement used in this prior art and the resulting physical relationships, the Peltier element acting as a heat sink is always colder than the measuring body in cooling operation. This effect is further supported by the fact that the measuring body is separated from the rest of the Peltier element by the connecting bridge, which consist of a poorly thermally conductive material and therefore should form a thermal resistance through which the measuring body of the intended as Peltier element heat sink "decoupled in temperature" should be. Because only because of this thermal decoupling should it be possible that, independently of the temperature profile of the measuring body, the Peltier element continues to cool steadily and thus the temperature difference required for the triggering of the instrument can arise. However, since the Peltier element for the reasons mentioned is always colder than the measuring body, condensation on the Peltier element always takes place before condensation of the measuring body. The heat sink of the Peltier element will thus always stagnant in front of the measuring body. As soon as the measuring body bakes after the condensation body of the Peltier element has dewed, essentially the same condensation temperature prevails both on the measuring body and on the cooling body of the Peltier element. This in turn means that a temperature difference signal at the terminals just does not arise. If the temperature difference signal is missing, it is not possible to determine from the display of the absolute temperature measured value by the instrument the temperature measured value indicating the condensation temperature.

Aus der DE 101 13 190 A1 ist ein nach dem Taupunktprinzip arbeitender Feuchtesensor bekannt. Dieser Feuchtesensor weist eine dünne Membran auf, auf der eine Temperaturerfassungseinrichtung und eine Erwärmungseinrichtung angeordnet sind. Demgegenüber befindet sich das als Kühleinrichtung vorgesehene Peltierelement außerhalb der Membran. Da aber auf der Membran die Taubildung stattfinden soll, muss die Wärme über einen sogenannten Kühlfinger durch das Peltierelement von der Membran abgezogen und somit die Membran über den Kühlfinger gekühlt werden. Bei diesem Stand der Technik muss permanent gekühlt werden. Um den Taupunkt wieder zu überschreiten, muss gegen die Kühlleistung des Peltierelements geheizt werden. Hierfür ist die Erwärmungseinrichtung vorgesehen, die somit gegen das Peltierelement Wärme abgibt, was energetisch von Nachteil ist. Außerdem muss die Kühlleistung des Peltierelements groß genug sein, um sicherzustellen, dass die Membran auf jeden Fall betaut. Bei geringen Feuchtigkeiten findet die Betauung aber erst bei sehr niedrigen Temperaturen statt, wozu eine große Kühlleistung permanent benötigt wird.From the DE 101 13 190 A1 is a working on the dew point principle humidity sensor known. This humidity sensor has a thin membrane on which a temperature detection device and a heating device are arranged. In contrast, provided as a cooling device Peltier element is outside the membrane. However, since dew formation is to take place on the membrane, the heat must be drawn off from the membrane via a so-called cold finger through the Peltier element, and thus the membrane must be cooled via the cold finger. In this prior art must be cooled permanently. In order to exceed the dew point again, it is necessary to heat the cooling power of the Peltier element. For this purpose, the heating device is provided, which thus emits heat against the Peltier element, which is energetically disadvantageous. In addition, the cooling performance of the Peltier element must be large enough to ensure that the membrane is definitely dewing. At low humidities, the condensation takes place only at very low temperatures, for which a large cooling capacity is permanently required.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zur Ermittlung der Feuchte eines Gases eine neue Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine direkte Ermittlung der Feuchte erlaubt, sich durch eine relativ einfache Konstruktion auszeichnet und dennoch eine relativ hohe Messgenauigkeit bietet. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren unter Verwendung einer Vorrichtung vorzuschlagen, welches sich einfach durchführen lässt.It It is an object of the present invention to determine the moisture of a gas to propose a new device, which is a direct Determining the moisture allowed by a relatively simple Design distinguishes and nevertheless a relatively high measuring accuracy offers. It is another object of the present invention, a method under To propose use of a device which is easy carry out leaves.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen eine Vorrichtung zur Ermittlung der Feuchte eines Gases an einem Messpunkt, mit einer Umgebungstemperaturmesseinrichtung zur Messung der Umgebungstemperatur, einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Messpunktes, so dass die Temperatur am Messpunkt gegenüber der Umgebungstemperatur sinkt, einer Messpunkttemperaturmesseinrichtung zur Messung der Temperatur am Messpunkt, wobei die Messpunkttemperaturmesseinrichtung eine Messpunkttemperaturmessstelle aufweist, einem Substrat, auf dessen einer Oberfläche gemeinsam der Messpunkt, die Kühleinrichtung und die Messpunkttemperaturmesseinrichtung angeordnet sind, einer an die Kühleinrichtung, die Umgebungstemperaturmesseinrichtung und die Messpunkttemperaturmesseinrichtung angeschlossene Auswerteeinrichtung, welche nach Feststellung, dass bei fortgesetzter Kühlung die Temperatur am Messpunkt im wesentlichen nicht weiter sinkt, aus der dann am Messpunkt gemessenen Temperatur unter Berücksichtung der gemessenen Umgebungstemperatur die Feuchte ermittelt, und einer Steuereinrichtung, die nach Feststellung, dass bei fortgesetzter Kühlung die Temperatur am Messpunkt im wesentlichen nicht weiter sinkt, die Kühleinrichtung herunterregelt oder abschaltet.to solution This object is achieved according to The first aspect of the present invention proposes a device for determining the humidity of a gas at a measuring point, with an ambient temperature measuring device for measuring the ambient temperature, a cooling device for cooling the Measuring point, so that the temperature at the measuring point opposite the Ambient temperature drops, a measuring point temperature measuring device for measuring the temperature at the measuring point, wherein the measuring point temperature measuring device a measuring point temperature measuring point, a substrate on that of a surface together the measuring point, the cooling device and the measuring point temperature measuring device are arranged, a to the cooling device, the ambient temperature measuring device and the measuring point temperature measuring device connected evaluation, which after finding that with continued cooling the temperature at the measuring point does not drop any further, from the temperature then measured at the measuring point under consideration the measured ambient temperature determines the humidity, and a Control device, after finding that if continued Cooling the Temperature at the measuring point substantially does not drop further, the cooling device down regulates or shuts off.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung der Feuchte eines Gases an einem Messpunkt mit Hilfe der zuvor beschriebenen Vorrichtung mit den Schritten vorgeschlagen, die Umgebungstemperatur zu messen, den Messpunkt zu kühlen, so dass die Temperatur am Messpunkt gegenüber der Umgebungstemperatur sinkt, dabei die Temperatur am Messpunkt zu messen und nach Feststellung, dass bei fortgesetzter Kühlung die Temperatur am Messpunkt im wesentlichen nicht weiter sinkt, aus der dann am Messpunkt gemessenen Temperatur unter Berücksichtigung der gemessenen Umgebungstemperatur die Feuchte zu ermitteln und die Kühlung des Messpunktes herunterzuregeln oder zu unterbrechen.According to one Second aspect of the present invention is a method for Determination of the humidity of a gas at a measuring point by means of previously described device with the steps proposed to measure the ambient temperature, to cool the measuring point, so that the temperature at the measuring point compared to the ambient temperature decreases while measuring the temperature at the measuring point and after finding that with continued cooling the temperature at the measuring point does not drop any further, from the then measured temperature at the measuring point under consideration the measured ambient temperature to determine the humidity and the cooling down or interrupt the measuring point.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die ursprünglich für die Kühlung verwendete Energie nach der Entstehung von Tau für die Kondensation und Aufrechterhaltung der Taubildung benötigt wird, was zur Folge hat, dass dann trotz fortgesetzter Energiezufuhr die Temperatur am Ort der Taubildung im wesentlichen nicht weiter sinkt. Erfindungsgemäß wird der Eintritt dieses Phänomens durch einfache Temperaturmessung am Taupunkt ermittelt, wenn mit Hilfe der Temperaturmessung festgestellt wird, dass nach vorausgegangener Kühlung nunmehr ein weiteres Absinken der Temperatur im wesentlichen nicht mehr zu beobachten ist, sondern der Temperaturwert im wesentlichen ein Minimum erreicht hat. Dieser Zeitpunkt wird erfindungsgemäß dazu genutzt, aufgrund der erreichten und im wesentlichen nicht weiter absinkenden Temperatur unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur die Feuchte zu ermitteln. Denn bei bekannter Umgebungstemperatur ist die erreichbare Tiefe der Temperatur im wesentlichen proportional zur Feuchte im Gas.The invention makes use of the knowledge that the energy originally used for the cooling is required after the formation of dew for the condensation and maintenance of dew formation, with the result that then, despite continued energy supply, the temperature at the place of dew formation substantially not further sinks. According to the invention, the occurrence of this phenomenon is determined by simple temperature measurement at the dew point, if it is determined by means of the temperature measurement that after previous cooling now a further drop in temperature is essentially no longer observed, but the temperature has reached a minimum substantially. This point in time is used according to the invention to determine the moisture on the basis of the achieved and substantially no further sinking temperature taking into account the ambient temperature. Because at a known ambient temperature, the achievable depth of the temperature is substantially proportional to the humidity in the gas.

Demnach wird erfindungsgemäß ein Messpunkt mit Gas in direkten Kontakt gebracht und gekühlt, bis trotz fortgesetzter Kühlung die Temperatur am Messpunkt im wesentlichen nicht weiter sinkt. Hierzu wird die Temperatur am Messpunkt gemessen. Ergibt diese Temperaturmessung, dass die Temperatur am Messpunkt ihr Minimum erreicht hat und im wesentlichen nicht weiter sinkt, wird aufgrund dieses gemessenen Temperaturwertes die Feuchte unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur ermittelt, die ebenfalls gemessen wird.Therefore becomes according to the invention a measuring point brought into direct contact with gas and cooled until continued despite cooling the temperature at the measuring point essentially does not drop any further. For this the temperature is measured at the measuring point. Gives this temperature measurement, that the temperature has reached its minimum at the measuring point and in the essential does not decrease further, is due to this measured Temperature value the humidity taking into account the ambient temperature determined, which is also measured.

Somit wird erfindungsgemäß eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur Ermittlung der Feuchte eines Gases vorgeschlagen, wobei eine direkte Ermittlung der Feuchte möglich ist und sich einfach durchführen lässt. Die Erfindung bietet eine relativ hohe Messgenauigkeit und ist auch besonders robust gegen Verschmutzungen, da diese auf die Messung keinen Einfluss haben.Consequently is inventively a new Device and a new method for determining the humidity of a Gas proposed, with a direct determination of the humidity is possible and just perform leaves. The invention provides a relatively high measurement accuracy and is also particularly robust against soiling, as these affect the measurement have no influence.

Da für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren lediglich eine Umgebungstemperaturmesseinrichtung, eine Messpunkttemperaturmesseinrichtung, eine Kühleinrichtung zur Kühlung des Messpunktes, eine Auswerteeinrichtung sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kühleinrichtung von Nöten sind, bedingt die Erfindung ferner eine relativ einfache Konstruktion zur Ermittlung der Feuchte, welche durch gemeinsame Anordnung auf derselben Oberfläche eines stabilen Substrats außerdem eine besonders kleine Bauform erhält. Auf eine aufwendige mechanische Anordnung kann somit verzichtet werden. Durch die Anordnung der genannten Komponenten auf derselben Oberfläche des Substrats werden auch unerwünschte thermische Barrieren zwischen den erwähnten Komponenten vermieden, wodurch sich eine besonders präzise Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisieren lässt.There for the execution the method according to the invention only an ambient temperature measuring device, a measuring point temperature measuring device, a cooling device for cooling the measuring point, an evaluation device and a control device for controlling the cooling device of Are needed Furthermore, the invention requires a relatively simple construction for determining the moisture, which by common arrangement on same surface a stable substrate as well particularly small design receives. In a complex mechanical arrangement can thus be omitted become. By the arrangement of said components on the same surface the substrate also become unwanted thermal barriers between the mentioned components avoided, which gives a particularly precise Operation of the device according to the invention can be realized.

Nach Feststellung, dass bei fortgesetzter Kühlung die Temperatur am Messpunkt im wesentlichen nicht weiter sinkt, wird mit Hilfe einer Steuereinrichtung die Kühlung des Messpunktes heruntergeregelt oder unterbrochen, wodurch sich eine günstige Energiebilanz ergibt.To Find that with continued cooling, the temperature at the measuring point essentially does not sink further, is with the help of a control device the cooling the measuring point is down-regulated or interrupted, resulting in a favorable energy balance results.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung dürfte die Ermittlung der Feuchte in der Luft darstellen.One important application for the inventive method and the device according to the invention might represent the determination of moisture in the air.

Bevorzugte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.preferred versions and further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Zur vorteilhaften Ableitung der Wärme sollte die Kühleinrichtung mindestes einen am Messpunkt angeordneten Kühlabschnitt und mindestens einen vom Messpunkt entfernten Wärmeableitungsabschnitt aufweisen. Eine solche Kühleinrichtung ist gewöhnlich nach Art eines Peltier-Elementes aufgebaut.to advantageous dissipation of heat should the cooling device at least one cooling section arranged at the measuring point and at least a heat dissipation section remote from the measurement point exhibit. Such a cooling device is ordinary constructed in the manner of a Peltier element.

Vorzugsweise ist in der Auswerteeinrichtung eine Tabelle abgespeichert, in der die Feuchtigkeitswerte in Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Temperatur am Messpunkt angegeben sind, so dass auf einfache und schnelle Weise aus den gemessenen Werten für die Umgebungstemperatur und die Temperatur am Messpunkt der augenblickliche Wert für die tatsächlich im Gas herrschende Feuchte ermittelt werden kann.Preferably is stored in the evaluation a table in the the humidity values in dependence of ambient temperature and temperature are indicated at the measuring point, so that in a simple and fast way from the measured values for the Ambient temperature and the temperature at the measuring point the instantaneous value for the indeed in the gas prevailing humidity can be determined.

Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Umgebungstemperaturmesseinrichtung auf derselben Oberfläche des Substrates wie der Messpunkt, die Kühleinrichtung und die Messpunkttemperaturmesseinrichtung angeordnet sind. Dies ergibt eine besonders kompakte Bauform zur Bildung eines Feuchtigkeitssensors.A further preferred embodiment The invention is characterized in that the ambient temperature measuring device on the same surface of the substrate such as the measuring point, the cooling device and the measuring point temperature measuring device are arranged. This results in a particularly compact design for Formation of a moisture sensor.

Zweckmäßiger Weise kann das Substrat Teil eines Chips sein oder als Chip ausgebildet sein.Appropriate way For example, the substrate may be part of a chip or formed as a chip be.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:following becomes a preferred embodiment of the invention explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It demonstrate:

1 eine schematische Draufsicht auf einen Feuchtesensor in einer bevorzugten Ausführung; und 1 a schematic plan view of a humidity sensor in a preferred embodiment; and

2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung, in der der Feuchtesensor von 1 an eine Auswerteeinrichtung angeschlossen ist. 2 a schematic block diagram of a circuit in which the humidity sensor of 1 is connected to an evaluation device.

In 1 ist schematisch in Draufsicht ein Feuchtesensor 2 dargestellt, der ein Substrat 4 aufweist, auf dem ein Kühl-Heiz-Element 6 angeordnet ist.In 1 is a schematic plan view of a humidity sensor 2 represented, which is a substrate 4 having on which a cooling-heating element 6 is arranged.

Das Kühl-Heiz-Element 6 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Peltier-Element ausgebildet. Beim Peltier-Element handelt es sich um ein thermoelektrisches Element, das als Wärmepumpe arbeitet und deshalb zum Kühlen und Heizen verwendet werden kann. Dabei fließt Gleichstrom durch ein thermoelektrisches Element, wodurch Wärme von einer Seite des Elementes zur anderen Seite transportiert wird. Als Ergebnis wird die eine Seite kalt und die gegenüberliegende Seite warm. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die kalte Seite von einem Kühlabschnitt 8 und die warme Seite von zwei Wärmeableitungsabschnitten 10a und 10b gebildet. Jeder der Wärmeableitungsabschnitte 10a und 10b ist mit dem Kühlabschnitt 8 über eine elektrische Leitung 12a bzw. 12b verbunden, durch den Strom fließt, der die Wärme vom Kühlabschnitt 8 zu den Wärmeableitungsabschnitten 10a, 10b transportiert. Dieser Wärmetransport wird also durch Elektronenfluss bewirkt. Für ein Peltier-Element sind Materialien günstig, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige Leitfähigkeit für Wärme haben. Da die meisten elektrischen Leiter auch eine hohe Leitfähigkeit besitzen, sollte für die Verbindungsleitungen 12a, 12b dotierte Halbleiter gewählt werden, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen.The cooling-heating element 6 is formed in the illustrated embodiment as a Peltier element. The Peltier element is a thermoelectric element that works as a heat pump and therefore can be used for cooling and heating. In this case, direct current flows through a thermoelectric element, whereby heat is transported from one side of the element to the other side. As a result, one side becomes cold and the opposite side becomes warm. In the illustrated embodiment, the cold side of a cooling section 8th and the warm side of two heat dissipation sections 10a and 10b educated. Each of the heat dissipation sections 10a and 10b is with the cooling section 8th via an electrical line 12a respectively. 12b Connected, flows through the stream, which absorbs the heat from the cooling section 8th to the heat dissipation sections 10a . 10b transported. This heat transfer is thus effected by electron flow. For a Peltier element materials are favorable, which have a high electrical conductivity and a low conductivity for heat. Since most electrical conductors also have a high conductivity, should be for the connecting cables 12a . 12b doped semiconductors are chosen to achieve good efficiency.

Wie ferner 1 erkennen lässt, sind auf dem Substrat 4 im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Umgebungstemperaturmessstellen 14a, 14b vorgesehen, die außerhalb des Kühl-Heiz-Element 6 liegen. Ferner ist im Bereich des Kühlabschnittes 8 eine Messpunkttemperaturmessstelle 16 vorgesehen, deren Ort ein Messpunkt 18 bildet.How further 1 recognize are on the substrate 4 in the illustrated embodiment, two ambient temperature measuring points 14a . 14b provided outside the cooling-heating element 6 lie. Furthermore, in the region of the cooling section 8th a measuring point temperature measuring point 16 provided, whose place is a measuring point 18 forms.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Umgebungstemperaturmessstellen 14a, 14b jeweils über einen elektrischen Leiter 15a bzw. 15b mit der Messpunkttemperaturmessstelle 16 verbunden, wobei die elektrischen Leiter 15 aus unterschiedlich elektrisch leitenden Materialien bestehen. Hiernach wird im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Thermoelement verwendet, dessen freie Enden die Umgebungstemperaturmessstellen 14a, 14b bilden und dessen Verbindungspunkt die Messtemperaturmessstelle 16 bildet. Selbstverständlich sind aber auch andere Konfigurationen zur Temperaturmessung denkbar, und es reicht grundsätzlich auch aus, nur eine einzige Umgebungstemperaturmessstelle vorzusehen.In the illustrated embodiment, the two ambient temperature measuring points 14a . 14b each via an electrical conductor 15a respectively. 15b with the measuring point temperature measuring point 16 connected, the electrical conductors 15 consist of different electrically conductive materials. Thereafter, in the illustrated embodiment, a thermocouple is used, the free ends of the ambient temperature measuring points 14a . 14b form and its connection point, the measuring temperature measuring point 16 forms. Of course, other configurations for temperature measurement are conceivable, and it is basically sufficient to provide only a single ambient temperature measuring point.

Damit die Umgebungstemperaturmessstellen 14a, 14b sowohl vom Kühlabschnitt 8 als auch von den Wärmeableitungsabschnitten 10a und 10b des Kühl-Heiz-Elementes 6 nicht beeinflusst werden, müssen diese in ausreichendem Abstand vom Kühl-Heiz-Element 6 angeordnet sein, wie 1 erkennen lässt.So that the ambient temperature measuring points 14a . 14b both from the cooling section 8th as well as from the heat dissipation sections 10a and 10b of the cooling-heating element 6 are not affected, they must be at a sufficient distance from the cooling-heating element 6 be arranged, like 1 lets recognize.

In 2 ist die gesamte Messanordnung schematisch im Blockschaltbild dargestellt. An den Feuchtesensor 2 von 1 ist eine Auswerteeinrichtung 20 angeschlossen, und zwar insbesondere über eine erste Anschlussleitung 21, die zur Messung der Umgebungstemperatur mit den Umgebungstemperaturmessstellen 14a, 14b verbunden ist, über eine zweite Anschlussleitung 22, die zur Messung der Temperatur am Messpunkt 18 mit der Messpunkttemperaturmessstelle 16 verbunden ist, und eine dritte Anschlussleitung 23, die an das Kühl-Heiz-Element 6 angeschlossen ist, um dieses mit der notwendigen Energie zu versorgen. Die Auswerteeinrichtung 20 weist gewöhnlich eine mikroprozessorbasierte Elektronik auf, die unter anderen einen Speicher 24 enthält. In diesem Speicher 24 ist eine Tabelle abgespeichert, die nachfolgend noch im einzelnen noch erläutert wird. An die Auswerteeinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Ausgabegerät 26 angeschlossen, um den ermittelten Wert der Feuchte anzeigen und/oder ausgeben zu können. Gewöhnlich weist das Ausgabegerät 26 eine entsprechende Anzeige auf. Zusätzlich oder alternativ kann im Ausgabegerät 26 auch eine Schnittstelle für den Anschluss beispielsweise eines Druckers vorgesehen sein. Schließlich weist die Auswerteeinrichtung 20 noch ein Steuermodul 28 auf, um die Energiezufuhr zum Kühl-Heiz-Element 6 und somit dessen Kühlleistung steuern und regeln zu können. Dieses Steuermodul 28 kann hardwaremäßig und/oder softwaremäßig ausgeführt sein.In 2 the entire measuring arrangement is shown schematically in the block diagram. To the humidity sensor 2 from 1 is an evaluation device 20 connected, in particular via a first connecting line 21 used to measure the ambient temperature with the ambient temperature measuring points 14a . 14b connected via a second connecting line 22 used to measure the temperature at the measuring point 18 with the measuring point temperature measuring point 16 connected, and a third connection line 23 connected to the cooling-heating element 6 is connected to provide this with the necessary energy. The evaluation device 20 typically has microprocessor-based electronics, including a memory 24 contains. In this store 24 a table is stored, which will be explained in detail below. To the evaluation device 20 is an output device in the illustrated embodiment 26 connected to display and / or output the determined value of the humidity. Usually the output device points 26 a corresponding display. Additionally or alternatively, in the output device 26 also be provided an interface for connecting, for example, a printer. Finally, the evaluation device 20 another control module 28 on to the power supply to the cooling-heating element 6 and thus to be able to control and regulate its cooling capacity. This control module 28 may be hardware and / or software.

Der Messpunkt 18 auf dem Substrat 4 des Feuchtesensors 2 ist so ausgebildet, dass er mit dem zu messenden Gas in direkten Kontakt gelangt. Ferner müssen die Umgebungstemperaturmessstellen 14a und 14b auf dem Substrat 4 des Feuchtesensors 2 so ausgeführt sein, dass sie die am Feuchtesensor 2 herrschende Umgebungstemperatur ohne Behinderung messen können.The measuring point 18 on the substrate 4 of the humidity sensor 2 is designed so that it comes into direct contact with the gas to be measured. Furthermore, the ambient temperature measuring points must 14a and 14b on the substrate 4 of the humidity sensor 2 be executed so that they are at the humidity sensor 2 can measure the prevailing ambient temperature without disabilities.

Zur Ermittlung der Feuchte wird der Messpunkt 18 mit Hilfe des Kühlabschnittes 8 des Kühl-Heiz-Elementes 6 gekühlt, so dass die Temperatur am Messpunkt 18 gegenüber der Umgebungstemperatur sinkt. Dabei wird die Temperatur am Messpunkt 18 mit Hilfe der Messpunkttemperaturmessstelle 16 gemessen. Ferner wird die Umgebungstemperatur mit Hilfe der Umgebungstemperaturmessstellen 14a, 14b gemessen.To determine the humidity, the measuring point 18 with the help of the cooling section 8th of the cooling-heating element 6 cooled so that the temperature at the measuring point 18 relative to the ambient temperature drops. The temperature is at the measuring point 18 with the help of the measuring point temperature measuring point 16 measured. Furthermore, the ambient temperature with the help of ambient temperature measuring points 14a . 14b measured.

Die Messung der Umgebungstemperatur durch die Umgebungstemperaturmessstellen 14a, 14b und die Messung des vom Kühlabschnitt 8 gekühlten Messpunktes 18 durch die Messpunkttemperaturmessstelle 16 wird in der Auswerteeinrichtung 20 laufend überwacht. Während des Kühlvorganges durch Energiezufuhr zum Kühl-Heiz-Element 6 wird die Wärme in der zuvor beschriebenen Weise vom Kühlabschnitt 8 zu den Wärmeableitungsabschnitten 10a, 10b transportiert, um dort dann an die Umgebung freigesetzt zu werden. Dabei ist der Abstand der Wärmeableitungsabschnitte 10a, 10b vom Kühlabschnitt 8 und somit auch von der Messpunkttemperaturmessstelle 16 und dem Messpunkt 18 so gewählt, dass die freigesetzte Wärme die Kühlung des Messpunktes 18 und die Messung der dort herrschenden Temperatur nicht beeinflusst.The measurement of the ambient temperature by the ambient temperature measuring points 14a . 14b and the measurement of the from the cooling section 8th cooled measuring point 18 through the measuring point temperature measuring point 16 is in the evaluation device 20 constantly monitored. During the cooling process by supplying energy to the cooling-heating element 6 The heat is in the manner described above from the cooling section 8th to the heat dissipation sections 10a . 10b transported there to be released then to the environment. Here, the distance of the heat dissipation sections 10a . 10b from the cooling section 8th and thus also from the measuring point temperature measuring point 16 and the measuring point 18 so ge selects that the released heat the cooling of the measuring point 18 and does not affect the measurement of the temperature prevailing there.

Wird nun in der Auswerteeinrichtung 20 festgestellt, dass trotz fortgesetzter Energiezufuhr zum Kühl-Heiz-Element 6 die Temperatur am Messpunkt 18 im wesentlichen nicht weiter sinkt, sondern ein Minimum erreicht hat, ermittelt die Auswerteeinrichtung 20 aus der dann am Messpunkt 18 herrschenden Temperatur unter Berücksichtigung der von den Umgebungstemperaturmessstellen 14a, 14b gemessenen Umgebungstemperatur die Feuchte. Hierbei kommt die in der Auswerteeinrichtung 20 enthaltene Tabelle 24 zur Anwendung, in der die Feuchtigkeitswerte in Abhängigkeit von Umgebungstemperatur und Temperatur am Messpunkt 18 abgespeichert sind. Somit ergibt sich aus der Tabelle der augenblicklich herrschende Wert für die Feuchtigkeit in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungstemperatur und der am Messpunkt 18 gemessenen Temperatur.Will now be in the evaluation 20 found that despite continued power to the cooling-heating element 6 the temperature at the measuring point 18 essentially does not sink further, but has reached a minimum, determines the evaluation 20 from the then at the measuring point 18 prevailing temperature taking into account that of the ambient temperature measuring points 14a . 14b measured ambient temperature, the humidity. Here comes in the evaluation 20 included table 24 For application in which the humidity values are dependent on ambient temperature and temperature at the measuring point 18 are stored. Thus, the table shows the currently prevailing humidity value as a function of the measured ambient temperature and that at the measuring point 18 measured temperature.

Für ein solches Verfahren wird die Erkenntnis genutzt, dass die ursprünglich für die Kühlung verwendete Energie, die dem Kühl-Heiz-Element 6 zugeführt wird, nach der Entstehung von Tau am Messpunkt 18 für die Kondensation und Aufrechterhaltung der Taubildung benötigt wird, was zur Folge hat, dass dann trotz fortgesetzter Energiezufuhr die Temperatur am Messpunkt 18 im wesentlichen nicht weiter sinkt, sondern ihr Minimum erreicht hat. Dieser Zeitpunkt wird nun dazu genutzt, aufgrund der erreichten und im wesentlichen nicht weiter absinkenden Temperatur unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur die Feuchte zu ermitteln. Denn bei bekannter Umgebungstemperatur ist die erreichbare Tiefe der Temperatur proportional zur Feuchte im Gas.For such a method, the knowledge is used that the energy originally used for cooling, the cooling-heating element 6 is supplied after the formation of dew at the measuring point 18 is required for the condensation and maintenance of dew formation, with the result that then despite continued supply of energy, the temperature at the measuring point 18 essentially does not sink further, but has reached its minimum. This point in time is now used to determine the moisture, taking into account the ambient temperature, on the basis of the achieved and substantially no further sinking temperature. Because with known ambient temperature, the achievable depth of the temperature is proportional to the humidity in the gas.

Das in der Auswerteeinrichtung 20 enthaltene Steuermodul 28 dient zur Steuerung und Regelung der Kühlleistung des Kühl-Heiz-Elementes 6. Nach Feststellung, dass trotz fortgesetzter Energiezufuhr die Temperatur am Messpunkt 18 im wesentlichen nicht weiter sinkt, kann das Steuermodul 28 bei Bedarf die Energiezufuhr zum Kühl-Heiz-Element 6 herunterregeln oder vollständig unterbrechen.That in the evaluation device 20 included control module 28 serves to control and regulate the cooling capacity of the cooling-heating element 6 , After finding that, despite continued energy supply, the temperature at the measuring point 18 essentially does not sink further, the control module 28 If necessary, the energy supply to the cooling-heating element 6 down or break completely.

Claims

Device for determining the humidity of a gas at a measuring point ( 18 ), with - an ambient temperature measuring device ( 14a . 14b ) for measuring the ambient temperature, - a cooling device ( 6 ) for cooling the measuring point ( 18 ), so that the temperature at the measuring point ( 18 ) relative to the ambient temperature drops, - a measuring point temperature measuring device ( 16 ) for measuring the temperature at the measuring point ( 18 ), wherein the measuring point temperature measuring device ( 16 ) a measuring point temperature measuring point ( 16 ), - a substrate ( 4 ), on one surface of which the measuring point ( 18 ), the cooling device ( 6 ) and the measuring point temperature measuring device ( 16 ), - one to the cooling device ( 6 ), the ambient temperature measuring device ( 14a . 14b ) and the measuring point temperature measuring device ( 16 ) connected evaluation device ( 20 ), which after determining that, with continued cooling, the temperature at the measuring point ( 18 ) substantially does not sink further, from which then at the measuring point ( 18 ) measured temperature taking into account the measured ambient temperature, the humidity determined, and - a control device ( 28 after finding that, with continued cooling, the temperature at the measuring point ( 18 ) substantially does not sink further, the cooling device ( 6 ) downshifts or shuts off.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the cooling device ( 6 ) at least one at the measuring point ( 18 ) arranged cooling section ( 8th ) and at least one of the measuring point ( 18 ) removed heat dissipation section ( 10a . 10b ) having.

Apparatus according to claim 2, characterized in that the cooling device ( 6 ) has at least one Peltier element.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the evaluation device ( 20 ) a table ( 24 ), in which the moisture values are dependent on the ambient temperature and temperature at the measuring point ( 18 ) are indicated.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ambient temperature measuring device ( 14a . 14b ) on the same surface of the substrate ( 4 ) like the measuring point ( 18 ), the cooling device ( 6 ) and the measuring point temperature measuring device ( 16 ) is arranged.

Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 4 ) Part of a chip or is designed as a chip.

Method for determining the humidity of a gas at a measuring point ( 18 ) by means of a device according to at least one of the preceding claims, comprising the steps of: - measuring the ambient temperature, - measuring point ( 18 ) so that the temperature at the measuring point ( 18 ) opposite the Umge temperature drops, - while the temperature at the measuring point ( 18 ) and after determining that, with continued cooling, the temperature at the measuring point ( 18 ) substantially does not sink further, from which then at the measuring point ( 18 ) measured temperature taking into account the measured ambient temperature to determine the humidity and the cooling of the measuring point ( 18 ) down or interrupt.