DE69637453T2

DE69637453T2 - Verfahren und System zur Taupunktmessung

Info

Publication number: DE69637453T2
Application number: DE69637453T
Authority: DE
Inventors: Lars Stormbom
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: FI101905B; FI101905B1; EP0768527A3; EP0768527B1; FI954923A0; DE69637453D1; FI954923L; EP0768527A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Taupunktmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein System zur Taupunktmessung.
Der Stand der Technik offenbart eine Mehrzahl verschiedener Verfahren zur Taupunktmessung.
Gemäß einem herkömmlichen Verfahren zur Taupunktmessung wird eine geeignete Oberfläche gekühlt, bis sich Kondensat bildet, das Auftreten des Kondensats erfasst und die exakte Kondensatauftrittstemperatur gemessen. Für gewöhnlich bildet sich das Kondensat auf einer Spiegeloberfläche und wird das Auftreten des Kondensats optisch über die Spiegeloberfläche erfasst. Eine derartige optische Erfassung des Kondensats kann beispielsweise auf einer Dämpfung des von solch einer Spiegeloberfläche reflektierten Lichts basieren.
Andere herkömmliche Verfahren zur Taupunktmessung nichtoptischer Natur umfassen kapazitive Verfahren und diejenigen, die auf der Dämpfung einer Oberflächenwelle auf einer mit Kondensat bedeckten Oberfläche basieren (die mit Hilfe eines SAW-Sensors gemessen wird), wobei die mit Kondensat bedeckte Oberfläche einen Teil einer elektronischen Messschaltung bildet.
Aus dem Stand der Technik sind ferner die folgenden Dokumente bekannt:

FEHLER D.: "Vollautomatische kontinuierliche Taupunktmessung in Verbrennungsgasen" AUTOMATISIERUNGSTECHNISCHE PRAXIS ATP, Band 28, Nr. 8, 1986, Seiten 372–376.
DE 34 46 277 A (Forschungsinstitut Prof. Dr.-Ing. habil, Dr. Phil. nat. Karl Otto Lehmann, Nachf. GmbH & Cie) 19. Juni 1986.
EP-A-0 282 900 (DRÄGERWERK AG) 21. September 1988.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren messen die Taupunkttemperatur direkt. Die Genauigkeit des Verfahrens wird durch die Genauigkeiten der Kondensatauftrittserfassung und der Kondensatoberflächentemperaturmessung bestimmt.
Diese Verfahren werden durch eine Anzahl von Defiziten erschwert. Ihre Messvorrichtungen sind teuer. Eine Verunreinigung der Taupunktmessoberfläche verursacht selbst dann einen Fehler, wenn eine periodische Messung und eine automatische Reinigung angewandt werden, um eine Verunreinigung zu vermeiden. Trotz solcher Vorsichtsmaßnahmen schränken die kurzen Wartungsintervalle der Vorrichtungen unter Prozessbedingungen deren Anwendungen ein. So wird insbesondere durch eine auf der Sensoroberfläche abgelagerte Salzschicht ein schwer zu erkennender Messfehler verursacht.
Aufgrund des geringen Dampfdrucks und der geringen Verdunstungsrate einer Eis-/Wasserkondensationsschicht wird die Ansprechzeit insbesondere bei niedrigen Taupunkttemperaturen lang (reicht bis zu einigen Minuten). Gleichmaßen wird die Sensorerholzeit äußerst lang, wenn sich aufgrund einer schnellen Änderung der Umgebungsbedingungen eine dicke Kondensatschicht bildet.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Verfahren bekannt, welche den Taupunkt nicht direkt messen, sondern über die relative Luftfeuchtigkeit und die entsprechende Temperatur. Ein Vorteil dieser Verfahren gegenüber der direkten Taupunkterfassung liegt in der kurzen Ansprechzeit, einer geringeren Verunreinigung und einer Tauglichkeit zur Anwendung bei erhöhten Temperaturen.
Ein Nachteil der indirekten Messung liegt im hohen Fehler bei geringen Luftfeuchtigkeiten und dem schädlichen Einfluss von Chemikalien auf die Empfindlichkeit der die relative Luftfeuchtigkeit messenden Sensoren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile im vorstehend beschriebenen Stand der Technik zu überwinden und eine vollkommen neue Art von Taupunktmessverfahren bereitzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine Folge gepulster elektrische Energie auf ein erstes Widerstandselement eines Sensors mit zwei benachbarten Widerstandselementen gegeben und der Widerstand des zweiten Widerstandselements in Abhängigkeit der Zeit gemessen wird, um so über die Antwort des zweiten Widerstandselement auf das Auftreten von Kondensat schließen zu können.
Genauer gesagt, das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 1 definiert.
Das erfindungsgemäße System ist in Anspruch 4 definiert.
Die Erfindung bringt signifikante Vorteile hervor.
Die erfindungsgemäße Anordnung stellt einen zuverlässigen Sensoraufbau bereit, der mit minimalen Kosten verbunden ist. Aufgrund der gepulsten Erwärmungsleistungszuführung ist die aktuelle Messperiode frei von irgendwelchen die Genauigkeit beeinträchtigen Effekten, die für gewöhnlich durch die externe Energiezuführung des Messprozesses verursacht werden. Ein zusätzlicher Vorteil des auf einer Antwortwellenform basierenden Messschemas liegt in dessen Flexibilität: auf der einen Seite reicht ein sehr einfacher elektronischer Schaltungsaufbau aus, um lediglich das Kondensat zu erfassen, und auf der anderen Seite ermöglicht eine umfangreichere Wellenformanalyse des Messimpulses eine Überwachung der verschiedenen Arten von Phänomenen auf der Sensoroberfläche, wie beispielsweise das Auftreten von Eis. Diese Art von Sensor weist eine verhältnismäßig schnelle Antwort, d. h. ein verhältnismäßig gutes Ansprechverhalten auf.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit ihren beispielhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
1 eine Draufsicht eines Sensoraufbaus;
2 einen Abschnitt A-A des in der 1 gezeigten Sensoraufbaus;
3 eine graphische Darstellung typischer Kennlinien, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Messimpuls hervorgegangen sind; und
4 ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Messsystems.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor 5, der zwei aktive Widerstandselemente R₁ und R₂ aufweist, die nahe der Sensoroberfläche angeordnet sind. Einem der Elemente, in diesem Fall R₁, wird über die Anschlüsse 1 und 2 ein Erwärmungslistungsimpuls zugeführt, durch welchen das Messelement R₂ erwärmt und der Widerstand des Messelements R₂ über die Anschlüsse 3 und 4 gemessen wird. Insbesondere wird das Material des Messelements R₂ derart gewählt, dass die Temperaturabhängigkeit seines Widerstands einen Höchstwert aufweist. Um die Fertigung zu vereinfachen sind beide Widerstandselemente normalerweise aus dem gleichen Material aufgebaut, das beispielsweise aus der Gruppe Pt, Au, Cr, Ni und Pd gewählt wird.
Der Sensor 5 ist, wie in 2 gezeigt, auf einem Substrat 6 gebildet, das für gewöhnlich aus Glas oder Silicium aufgebaut ist. Auf das Substrat 6 ist eine Schicht 7 hoher thermischer Leitfähigkeit, die beispielsweise aus Aluminium besteht, abgeschieden. Auf die Schicht 7 hoher thermischer Leitfähigkeit ist eine Isolierschicht 8 abgeschieden, die für gewöhnlich aus einem geeigneten Polymer oder Siliciumnitrid (Si_xN_y) aufgebaut ist. Auf der Isolierschicht 8 sind Elektroden 1, 2, 3 und 4 sowie die Widerstandselemente R₁ und R₂ unter Anwendung von beispielsweise Musterungsverfahren gebildet. Die Widerstandselemente R₁ und R₂ sind dicht beieinander angeordnet, um die Wärmeübertragung vom Widerstandselement R₁ zum Messelement R₂ zu maximieren. Vorteilhafterweise sind die Widerstandselemente R₁ und R₂ benachbart parallel zueinander ausgerichtet. Ferner ist die als dielektrische Isolierschicht dienende Schicht 8 derart gewählt, dass sie eine maximale thermische Leitfähigkeit aufweist. Wenn es erforderlich ist, werden die Widerstandselemente R₁ und R₂ zusätzlich mit einer geeigneten Polymerschicht 9 beschichtet, um einen mechanischen Schutz für die Widerstandselemente bereitzustellen. Folglich kann sich das Kondensat 13 entweder direkt auf den Widerstandselementen R₁ und R₂ oder auf der Polymerschicht 9 bilden.
Alternativ können die Widerstandselemente R₁ und R₂ in gegenseitiger Übereinstimmung in gezackter oder gewellter Form ausgebildet sein, wodurch die Wärmeübertragung von dem einen zum anderen Element maximiert wird.

Die nachstehend aufgeführte Tabelle zeigt Beispiele für die Abmessungen einer Ausführungsform des Sensors auf.

Abmessung	Typischer Wert	Variationsbreite
Dicke der thermisch leitfähigen Schicht 7	0.1 μm	0.02–1 μm
Dicker der dielektrischen Schicht 8	0.05 μm	0.02–0.5 μm
Dicke der Widerstandselemente R₁ und R₂	1 μm	0.1–3 μm
Breite der Widerstandselemente R₁ und R₂	5 μm	0.1–50 μm
Länge der Widerstandselemente R₁ und R₂	10 mm	2–50 mm
Widerstand der Widerstandselemente R₁ und R₂ bei Raumtemperatur	200 ohm	10–2000 ohm
Dicke der Polymerschicht 9	1 μm	0.1–5 μm
Eingangsimpulsleistung für Widerstandselement R₁	1 W	0.1–10 W
Typische Widerstandsänderung ΔR des Widerstandselements R₂	20 ohm	5–80 ohm

Der Sensor kann unter Anwendung herkömmlicher mikromechanischen Si-Verfahren, die eine Vakuumverdampfung und eine Maskierung umfassen, gefertigt werden.
Nachstehend wird auf die 3 Bezug genommen. Dem Erwärmungswiderstandselement R₁ wird ein gepulstes Signal 10 zugeführt, das für gewöhnlich eine Impulsbreite von 5–100 ms und ein Impulsintervall von 1–10 s aufweist. Die Impulsspitzenleistung kann in einem Bereich zwischen 0.1–10 mW geändert werden. Im Falle keine Kondensation ändert sich der Widerstand des Messwiderstandselements R₂ in Übereinstimmung mit der Kennlinie 12 im Diagramm als Antwort auf einen angelegten thermischen Impuls 10, und entsprechend in Übereinstimmung mit der Kennlinie 11, wenn die Oberfläche des Sensors 5 mit Tau oder Eis bedeckt ist. Eine Analyse des Antwortsignals kann auf der Verzögerung Δt des Antwortkennlinienmaximums 14 vom Start des angelegten thermischen Impulses oder alternativ auf der Differenz ΔR des maximalen Widerstands zum stationären Widerstand des Elements oder auf der Verzögerung und der Differenz basieren. Als praxisnahes Beispiel ist nachstehend eine knappe und präzise beispielhafte Interpretation der Antwortkennlinien gegeben:
Δt überschreitet einen vorbestimmten Wert; Kondensat vorhanden
ΔR überschreitet einen vorbestimmten Wert; Kondensat vorhanden.
Nachstehend wird auf die 4 Bezug genommen. Das erfindungsgemäße Messsystem weist eine Impulsleistungsquelle 20 auf, die dazu ausgelegt ist, ein gepulsten Signals über die Anschlüsse 1 und 2 des als Erwärmungselement dienenden Widerstandselements R₁ zuzuführen. Der Widerstand des Messwiderstandselements R₂ wird mit Hilfe einer Messschaltung 21 gemessen. Die Form des Antwortsignals, das aus dem von der Impulsleistungsquelle 20 gelieferten Erwärmungsimpuls hervorgeht, wird bei Bedarf mit Hilfe einer Funktionsanalysators gemessen. Der Analysator 22 wird mit der Impulsleistungsquelle 20 synchronisiert. In der Praxis können die beide Einheiten 21 und 22 funktional kombiniert werden, indem der Widerstand des Widerstandselements R₂ mit einer geeigneten Abtastrate abgetastet und diese Messwerte anschließend mit Hilfe digitaler Verfahren verarbeitet werden. Die Maxima der Antwort kennlinie können beispielsweise über die Nullpunktübergänge der Ableitung des gemessenen Widerstands erfasst werden.

Claims

Verfahren zur Taupunktmessung mit Hilfe eines Messsensors (5), der ein Widerstandsheizelement (R₁) und ein separates Widerstandsmesselement (R₂) aufweist, wobei – der Sensor mit Hilfe eines gepulsten elektrischen Signals (10), das an das Widerstandsheizelement gegeben wird, erwärmt wird; – der Widerstand des Widerstandsmesselements in Abhängigkeit der Zeit gemessen wird, um so eine Sensorantwort auf das gepulste elektrische Signal bereitzustellen; und – die Sensorantwort ausgewertet wird; dadurch gekennzeichnet, dass – die Pulse des gepulsten elektrischen Signals (10) eine Rechteckform aufweisen; und – die Auswertung der Sensorantwort über eine Bestimmung der zeitlichen Verschiebung (Δt) und/oder der Widerstandsänderung (ΔR) zwischen dem Höchstwert (14) der Sensorantwort (11) für einen mit Kondenswasser bedeckten Sensor und dem Höchstwert (14) der Sensorantwort (12), wenn keine Kondensation auftritt, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Verschiebung (Δt) des Höchstwerts (14) der Sensorantwort (11) für einen mit Kondenswasser bedeckten Sensor bezüglich des Höchstwerts (14) der Sensorantwort (12), wenn keine Kondensation auftritt, bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsänderung (ΔR) des Höchstwerts (14) der Sensorantwort (11) für einen mit Kondenswasser bedeckten Sensor bezüglich des Höchstwerts (14) der Sensorantwart (12), wenn keine Kondensation auftritt, bestimmt wird.
System zur Taupunktmessung, mit: – einem Messsensor (5), mit: – einem Substrat (6); – einem Widerstandsheizelement (R₁) und einem Widerstandsmesselement (R₂), das in der Nähe von und in engem thermischen Kontakt zu dem Widerstandsheizelement angeordnet ist, wobei beide Widerstandselemente auf dem Substrat angeordnet sind; – einer Energiequelle (20), die ein gepulstes elektrisches Signal (10) an das Widerstandsheizelement gibt; und – einer Messeinrichtung (21, 22) zur Messung der Sensorantwort auf des gepulste elektrische Signal in Form des Widerstands des Widerstandsmesselements in Abhängigkeit der Zeit; dadurch gekennzeichnet, dass – die Pulse des gepulsten elektrischen Signals (10) eine Rechteckform aufweisen; und – die Messeinrichtung (21, 22) dazu ausgelegt ist, die zeitliche Verschiebung (Δt) und/oder die Widerstandsänderung (ΔR) zwischen dem Höchstwert (14) der Sensorantwort (11) für einen mit Kondenswasser bedeckten Sensor und dem Höchstwert (14) der Sensorantwort (12), wenn keine Kondensation auftritt, zu bestimmen.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System ferner eine Einrichtung (22) zur Auswertung der Wellenform der Sensorantwort (11) aufweist.