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EP1299715A1 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der feuchte in gasen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ermittlung der feuchte in gasen

Info

Publication number
EP1299715A1
EP1299715A1 EP01960463A EP01960463A EP1299715A1 EP 1299715 A1 EP1299715 A1 EP 1299715A1 EP 01960463 A EP01960463 A EP 01960463A EP 01960463 A EP01960463 A EP 01960463A EP 1299715 A1 EP1299715 A1 EP 1299715A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
moisture
humidity
measuring device
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP01960463A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Rombach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Testo SE and Co KGaA
Original Assignee
Testo SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Testo SE and Co KGaA filed Critical Testo SE and Co KGaA
Publication of EP1299715A1 publication Critical patent/EP1299715A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/56—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content

Definitions

  • the present invention relates to a measuring device according to the features of the preamble of claim 1 for determining the moisture in gases.
  • the absolute humidity indicates the volume of evaporated liquid per gas volume unit (usually in g / m 3 ).
  • the relative humidity results from the quotient of the absolute humidity and the saturation humidity, the latter indicating the maximum possible volume of evaporated liquid per unit gas volume.
  • the saturation humidity depends on the temperature.
  • capacitive moisture sensors which contain a capacitor, the capacitance value of which changes as a function of the humidity of the gas surrounding the sensor. Problems can occur with such sensors, particularly at high humidities.
  • German Patent 28 51 686 C2 to heat the moisture sensor in order to keep it at a temperature above the temperature of the gas.
  • the ambient temperature and the temperature of the sensor are required, for which additional measurements and measuring devices are required.
  • a complex control circuit is required in this known device.
  • WO 97/02468 it is known from WO 97/02468 to keep a moisture sensor at a constant temperature by heating, which is above the temperature of the gas.
  • the known device is used to determine the absolute humidity in a gas, for which the absolute temperature of the gas is required in addition to a measured value supplied by a humidity sensor. An additional measurement and measuring device is required for this.
  • the working range is limited by the constant working temperature of the sensor. Moisture measurement is only possible without the risk of moisture forming on the sensor if the temperature of the gas is below the working temperature of the sensor.
  • a computational correction of the measured value obtained for the absolute humidity is necessary.
  • the aim of the present invention is to provide a humidity sensor for determining the relative moisture in gases available • which can be used independent of the gas temperature, and are necessary in the no additional measurements for determining the moisture content.
  • the measuring device has a heating device thermally coupled to the humidity sensor, which is designed to keep the humidity sensor at an operating temperature that is at least approximately constant differential temperature above an ambient temperature of the humidity sensor.
  • the condensation of liquid on the moisture sensor is reliably prevented in that the temperature of the sensor is kept above the ambient temperature independently of the ambient temperature.
  • a conventional capacitive humidity sensor for determining the relative humidity in a gas can be used as the humidity sensor in the measuring device according to the invention. These sensors have a first and a second electrode with an intermediate moisture-sensitive dielectric, the dielectric constant of which changes as a function of the moisture.
  • suitable evaluation circuits can be used to determine the moisture in the vicinity of the sensor via the capacitance of the capacitor. Due to the increased temperature at the moisture sensor caused by the heating, the measured value determined by the moisture sensor shows a deviation from the actual one Moisture in the gas, the greater the difference in temperature, the greater this deviation.
  • This deviation of the determined value from the actual value can, however, already be taken into account during the adjustment, or the factory adjustment, of the moisture sensor, so that during the use of the measuring device, in addition to the initial value of the moisture sensor, no further measured variables for determining the relative humidity in the gas are required.
  • the heating device for heating the moisture sensor has an electrical heating element, to which a constant electrical power is supplied.
  • the heating element is in particular a heating resistor which is connected to a constant voltage source or to a constant current source.
  • the power converted into heat in the resistor then results as the quotient of the square of the applied voltage and the resistance value, or the product of the square of the current flowing into the heating resistor and the resistance value.
  • the heated humidity sensor which is preferably a conventional capacitive humidity sensor, provides a measured value which is dependent on the relative humidity at the humidity sensor, or in its immediate vicinity.
  • the relative humidity in a gas is temperature-dependent, so that the heating of the humidity sensor to a temperature above the gas temperature leads to a deviation between the relative humidity determined at the humidity sensor and the relative humidity prevailing in the other areas of the gas at a lower temperature .
  • a correction unit is provided in the evaluation unit, which provides a corrected measured value of the relative humidity from a first measured value determined on the basis of the capacitance of the moisture sensor, this corrected measured value being proportional to the relative humidity in the gas or the relative humidity in corresponds to the gas.
  • the present invention further relates to a method for determining the relative humidity in a gas by means of a measuring device which has a humidity sensor and an evaluation unit connected to it, and a heating device thermally coupled to the humidity sensor.
  • the humidity sensor is kept at an operating temperature by means of the heating device, which is at least approximately a differential temperature above an ambient temperature of the humidity sensor.
  • an electrical heating device is used in particular, in which a time-constant electrical power is converted into heat and delivered to the moisture sensor.
  • the following method steps are provided for calibrating the measuring device.
  • the moisture sensor with the heating device thermally coupled to it is introduced into a gas at a known first relative humidity and a known temperature, a first adjustment value for the relative humidity being determined by means of the moisture measuring device.
  • the known first relative humidity which corresponds to the actual humidity of the gas to be measured, represents a first corrected measured value for the first adjustment value supplied by the humidity sensor.
  • the humidity sensor with the heating device becomes a gas with a known second one Relative humidity and the known first temperature, wherein a second adjustment value for the relative humidity is determined by means of the humidity sensor.
  • the known second relative humidity forms a second corrected measured value for the second adjustment value supplied by the humidity sensor.
  • parameters are subsequently determined which enable the measurement values supplied by the humidity sensor to be converted into the actual values of the relative humidity.
  • FIG. 1 block diagram of a measuring device according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 plan view of a heating element and a moisture sensor, which are glued together; 3 top view of a heating element and a moisture sensor which are in direct contact;
  • FIG. 4 shows a front view of an arrangement of heating element and moisture sensor which are arranged next to one another;
  • FIG. 5 shows a block diagram of an embodiment of a measuring device according to the invention with a detailed representation of the humidity sensor and the heating device as well as the evaluation unit connected to the humidity sensor;
  • Fig. 6 graphical representation of the output signal of a moisture sensor and the actual moisture in the gas to be measured.
  • Fig. 1 shows a block diagram of an inventive
  • the measuring device for determining the relative humidity in gases.
  • the measuring device has a humidity sensor 10 and an evaluation unit 20 connected to the humidity sensor 10 for providing a measurement value dependent on a relative humidity in a gas.
  • the evaluation unit 20 has in particular a display, not shown in FIG. 1, in order to output a determined measured value to a user.
  • a heating device 30 is provided in the measuring device according to the invention, wherein a heating element 32 of the heating device is thermally coupled to the moisture sensor 10.
  • the heating device 30 is designed in such a way that the moisture sensor 10 is kept at an operating temperature which is constant by a th differential temperature is kept above an ambient temperature of the gas to be measured.
  • This heating means that even at high relative humidities, no liquid condenses on the moisture sensor, which could lead to falsifications of the measurement result and / or damage to the moisture sensor.
  • the heating prevents the relative humidity in the area of the sensor from reaching high values at which a drift of the measurement signal could occur.
  • the heating device 30 is designed as an electrical heating device in which an electrical power which is constant over time is converted into heat becomes.
  • the heating device 30 has a constant voltage source 34, which is connected to the heating element 32.
  • the heating element 32 preferably has an ohmic resistance or consists of such an ohmic resistance. 2 to 4 show different exemplary embodiments for the thermal coupling of the heating element 32A; 32B; 32C; and the humidity sensor 10A; 10B; IOC.
  • FIG. 2a shows a side view of a plate-shaped heating element 32A and a plate-shaped moisture sensor 10A, which are connected by means of a heat-conducting adhesive 40, which is introduced between the heating element 32A and the moisture sensor 10A.
  • the contact surface for the adhesive 40 is both the heating element 32A and the moisture sensor 10A selected one of the faces, which has a largeêtnin- • holding in relation to the other surfaces of the respective element, so as to achieve a good thermal coupling between the heating element 32A and the humidity sensor 10A.
  • FIG. 3 which likewise shows a side view of a heating element 32B and a thermally coupled moisture sensor 10B
  • the heating element 32B and the moisture sensor 10B are likewise joined to one another on side surfaces which are in relation to other side surfaces of the respective element 32B, 10B have a large area to enable good thermal coupling of the heating element 32B and the moisture sensor 10B.
  • a heat-conducting adhesive is dispensed with in the exemplary embodiment according to FIG. 3. Instead, the heating element 32B and the moisture sensor 10B are joined directly, which can be done, for example, by directly applying a heating resistor as the heating element 32B on the sensor 10 in a method using thin-film or thick-film technology.
  • heating element 32C and moisture sensor IOC in plan view, heating element 32C and moisture sensor IOC being joined to one another on narrower sides, so that the front and rear sides of plate-shaped heating element 32C and plate-shaped heating element 32C Moisture sensor IOC lie approximately in one plane.
  • the humidity sensor 10 is preferably a conventional capacitive humidity sensor for determining the relative humidity in gases.
  • a moisture sensor 10 is shown schematically in a side view in FIG. 5. It has a first plate-shaped electrode 12 and a second plate-shaped electrode rode 14 with an intermediate moisture-sensitive dielectric 16, which form a capacitor 11.
  • the dielectric constant of this dielectric 16 varies with the moisture which is present in the region of the dielectric 16, the first electrode 12 being permeable to moisture so that moisture can penetrate to the dielectric 16.
  • the first electrode 12 preferably consists of a porous material or is formed like a grid.
  • the value of the dielectric constant of the dielectric 16 which value depends on the moisture in the environment, determines the capacitance of this capacitor, which is composed of the first electrode 12, the second electrode 14 and the dielectric 16.
  • the moisture sensor 10 is connected to the evaluation unit 20 for evaluating the dielectric constant or the capacitor capacitance, and thus for determining the relative humidity in the vicinity of the moisture sensor 10.
  • the evaluation unit preferably has a resonant circuit (not shown in more detail), the capacitor 11 being part of this resonant circuit and the capacitance of the capacitor 11 being determined on the basis of the resonant frequency of this resonant circuit.
  • a resonant circuit (not shown in more detail)
  • the capacitor 11 being part of this resonant circuit and the capacitance of the capacitor 11 being determined on the basis of the resonant frequency of this resonant circuit.
  • a conversion or standardization of these values into the values of the relative humidity is necessary. Since manufacturing tolerances occur during the production of the capacitors, the conversion variables or standardization variables differ from moisture sensor to moisture sensor.
  • the adjustment of a measuring device before the first use is known and is carried out, for example, by means of a potentiometer in the evaluation circuit, which is set in the factory in order to compensate for tolerances in the capacitor due to production.
  • the evaluation unit has a first evaluation unit 22 which outputs a first measurement signal M 1 which is dependent on the capacitance of the capacitor and thus on the moisture in the region of the moisture sensor 10.
  • a first measurement signal M 1 which is dependent on the capacitance of the capacitor and thus on the moisture in the region of the moisture sensor 10.
  • the relative humidity in a gas is temperature-dependent. It results from the quotient of the absolute humidity, which indicates the volume of evaporated liquid per gas volume unit, and the saturation humidity, which indicates the maximum possible volume of evaporated liquid per gas volume unit. It applies here that, given a given absolute humidity of the gas, the relative humidity decreases with increasing temperature. The value for the relative humidity determined on the humidity sensor 10 is therefore always lower in the measuring device according to the invention than the actual value of the relative humidity in the gas.
  • FIG. 6 shows first measured values M1 of the first evaluation unit 22 for different values of the relative humidity between 0% and 100%.
  • the curve marked N represents the actual moisture values or the desired output of the measuring device for these moisture values. As can be seen, the first measured values M 1 deviate from the actual measured values N. These deviations result on the one hand from manufacturing tolerances of the condenser of the moisture sensor and from the heating of the moisture sensor. For the sake of completeness, FIG. 6 shows a curve of measured values MO which are determined with the same moisture sensor without heating.
  • a correction unit 24 is connected downstream of the first evaluation unit 22 in the measuring device according to FIG. 5, which converts the first measured values M1 into the associated corrected measured values N.
  • All first measured values Ml can be converted into actual measured values (standardized measured values) using the relationships given for Ml and N using the following equation:
  • the calculation or assignment of the first measured values M1 to the actual measured values N for the relative humidity can be done in. the correction unit in different ways.
  • a computing unit is provided in the correction unit, which calculates the actual measured values N from the first measured values M 1 using equation (1), the actual measured values N being output to a display unit 26.
  • the two parameters of equation (1) are in the
  • Correction unit saved during factory adjustment.
  • the determination of the two parameters c, d is based on the equation of the straight line of the first measured values Ml. To set up this straight line equation, two measured values for different humidities at a constant temperature are sufficient.
  • the parameters determined for converting the first measured values Ml into the output standardized measured values N are largely independent of the temperature.
  • an equation for the straight line of the first measured values M1 was created from only two measured values, which were measured at a temperature of 25 ° C. and known relative humidities of 11% and 75%.
  • the parameters c and d were determined and stored, the relative humidity of gases, the temperature of which was between -30 ° C. and., Subsequently being determined in the evaluation unit of the moisture sensor using the first measured values M 1 and equation (1) was 120 ° C, without a significant temperature-related deviation of the output measurement results from the actual values of the relative humidity being observed.

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Abstract

Messvorrichtung zur Feuchtemessung in Gasen, die folgende Merkmale aufweist: einen Feuchtesensor (10) und eine daran angeschlossene Auswerteeinheit (20) zur Bereitstellung eines von einer relativen Feuchte in einem Gas abhängigen Messwerts; eine thermisch mit dem Feuchtesensor (10) gekoppelte Heizvorrichtung (30); wodurch die Heizvorrichtung (30) dazu ausgebildet ist, den Feuchtesensor (10) auf einer Betriebstemperatur zu halten, die um eine wenigstens annnäherungsweise konstante Differenztemperatur oberhalb einer Umgebungstemperatur des Feuchtesensors liegt.

Description

Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der Feuchte in Gasen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zur Ermittlung der Feuchte in Gasen.
Bei der Feuchtemessung in Gasen unterscheidet man die Messung der absoluten Feuchte und der relativen Feuchte. Die absolute Feuchte gibt das Volumen an verdunsteter Flüssigkeit pro Gasvolumeneinheit (üblicherweise in g/m3) an. Die relative Feuchte ergibt sich aus dem Quotienten aus der absoluten Feuchte und der Sättigungsfeuchte, wobei letztere das maximal mögliche Volumen an verdunsteter Flüssigkeit pro Gasvolumeneinheit angibt. Die Sättigungsfeuchte ist dabei von der Temperatur abhängig.
Zur Feuchtemessung in Gasen ist es bekannt, kapazitive Feuch- tesensoren zu verwenden, die einen Kondensator enthalten, dessen Kapazitätswert sich abhängig von der Feuchte des den Sensor umgebenden Gases ändert. Probleme können bei derartigen Sensoren insbesondere bei hohen Feuchten auftreten.
Zum einen besteht die Gefahr dass sich bei hohen Feuchten
Feuchtigkeit an dem Sensor niederschlägt, wenn die Temperatur des Feuchtesensors geringer als die Taupunkttemperatur des umgebenden Gases ist. Dies führt zum einen zu einer Verfälschung des Messwertes, und kann zum anderen zu einer Beschä- digung des Feuchtsensors führen, wenn in der Umgebung des
Sensors chemische Bestandteile vorhanden sind, die unter Anwesenheit von Wasser zu einer Säure- bzw. Laugenbildung an dem Sensor führen. Zum anderen kommt es bei den herkömmlichen kapazitiven Feuchtesensoren bei längerem Einsatz in Umgebungen mit hohen Feuchten zu einer Drift der Messwerte, was zu einer Verfälschung der Messergebnisse führt .
Zur Vermeidung dieser Probleme ist es aus der deutschen Patentschrift 28 51 686 C2 bekannt, den Feuchtesensor zu beheizen, um ihn auf einer Temperatur oberhalb der Temperatur des Gases zu halten. Zur Ermittlung der relativen Feuchte wird dabei neben einem von dem Sensor gelieferten Messwert, die Umgebungstemperatur und die Temperatur des Sensors benötigt, wofür zusätzliche Messungen und Messvorrichtungen erforderlich sind. Zudem ist bei dieser bekannten Vorrichtung eine aufwändige Regelschaltung erforderlich.
Weiterhin ist es aus der WO 97/02468 bekannt, einen Feuchtesensor durch Beheizen auf einer konstanten Temperatur zu halten, die oberhalb der Temperatur des Gases liegt. Die bekannte Vorrichtung dient zur Ermittlung der absoluten Feuchte in einem Gas, wofür neben einem von einem Feuchtesensor gelieferten Messwert die absolute Temperatur des Gases benötigt wird. Hierfür ist eine zusätzliche Messung und Messvorrichtung erforderlich. Zudem ist der Arbeitsbereich durch die konstante Arbeitstemperatur des Sensors eingeschränkt. Eine Feuchtemessung ist nur dann ohne Gefahr einer Feuchtebildung an dem Sensor möglich, wenn die Temperatur des Gases unterhalb der Arbeitstemperatur des Sensors liegt. Um mit dieser aus der WO 97/02468 bekannten Messvorrichtung die relative Feuchte des Gases ermitteln zu können, ist eine rechnerische Korrektur des erhaltenen Messwertes für die absolute Feuchte erforderlich. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Feuchtesensor zur Ermittlung der relativen Feuchte in Gasen zur Verfügung • zu stellen, der unabhängig von der Gastemperatur einsetzbar ist, und bei dem keine zusätzlichen Messgrößen zur Ermittlung des Feuchtegehalts erforderlich sind.
Diese Ziel wir durch eine Messvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach weist die Messvorrichtung neben einem Feuchtesensor und einer an den Feuchtesensor angeschlossenen Auswerteeinheit eine thermisch an den Feuchtesensor gekoppelte Heizvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, den Feuchtesensor auf einer Betriebstemperatur zu halten, die um eine wenigstens annnaherungsweise konstante Differenztemperatur oberhalb einer Umgebungstemperatur des Feuchtesensors liegt .
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird die Kondensation von Flüssigkeit an dem Feuchtesensor zuverlässig dadurch verhindert, dass die Temperatur des Sensors unabhängig von der Umgebungstemperatur' über der Umgebungstemperatur gehalten wird. Als Feuchtesensor ist bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ein herkömmlicher kapazitiver Feuchtesensor zur Ermittlung der relativen Feuchte in einem Gas einsetzbar. Diese Sensoren weisen eine erste und zweite Elektrode mit einem dazwischenliegenden feuchtesensitiven Dieleketrikum, dessen Dielektrizitätszahl sich abhängig von der Feuchte ändert, auf. Mittels geeigneter Auswerteschaltungen lässt sich bei derartigen Feuchtesensoren über die Kapazität des Kondensa- tors die Feuchte in der Umgebung des Sensors ermitteln. Aufgrund der durch die Beheizung bewirkten erhöhten Temperatur an dem Feuchtesensor weist der durch den Feuchtesensor ermittelte Messwert eine Abweichung gegenüber der tatsächlichen Feuchte in dem Gas auf, wobei diese Abweichung um so größer ist, je größer die Differenztemperatur ist. Diese Abweichung des ermittelten Wertes von dem tatsächlichen Wert kann allerdings bereits bei der Justierung, bzw. dem werkseitigen Ab- gleich, des Feuchtesensors berücksichtigt werden, so dass während des Einsatzes der Messvorrichtung neben dem Ausgangswert des Feuchtesensors keine weiteren Messgrößen zur Ermittlung der relativen Feuchte in dem Gas erforderlich sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung zum Heizen des Feuchtesensors ein elektrisches Heizelement aufweist, dem eine konstante e- lektrische Leistung zugeführt ist. Das Heizelement ist insbesondere ein Heizwiderstand, der an eine konstante Spannungsquelle bzw. an eine konstante Stromquelle angeschlossen ist. Die in dem Widerstand in Wärme umgesetzte Leistung ergibt sich dann als Quotient aus dem Quadrat der angelegten Spannung und dem Widerstandswert, bzw. dem Produkt aus dem Quadrat des in den Heizwiderstand fließenden Stromes und dem Widerstandswert. Eine derartige Heizvorrichtung, bei der eine über der Zeit konstante elektrische Leistung in Wärme umge- setzt wird, ermöglicht es, den thermisch an das Heizelement gekoppelten Feuchtesensor auf einer Temperatur zu halten, die um eine annäherungsweise konstante Differenztemperatur über der Umgebungstemperatur liegt.
Der aufgeheizte Feuchtesensor, der vorzugsweise ein herkömmlicher kapazitiver Feuchtesensor ist, stellt einen Messwert zur Verfügung, der abhängig von der relativen Feuchte an dem Feuchtesensor, bzw. in dessen unmittelbarer Umgebung, ist. Die relative Feuchte in einem Gas ist temperaturabhängig, so dass es durch die Erwärmung des Feuchtesensors auf eine Temperatur oberhalb der Gastemperatur zu einer Abweichung zwischen der an dem Feuchtesensor ermittelten relativen Feuchte und der in den übrigen Bereichen des Gases bei einer niedrigeren Temperatur herrschenden relativen Feuchte kommt. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Auswerteeinheit eine Korrektureinheit vorgesehen, die aus einem anhand der Kapazität des Feuchtesensors ermittelten ersten Messwert einen korrigierten Messwert der relativen Feuchte bereitstellt, wobei dieser korrigierte Messwert proportional zu der relativen Feuchte in dem Gas ist oder der relativen Feuchte in dem Gas entspricht .
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte in einem Gas mittels einer Messvorrichtung, die einen Feuchtesensor und eine daran angeschlossene Auswerteeinheit sowie eine thermisch an den Feuchtesensor gekoppelte Heizvorrichtung aufweist. Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren wird der Feuchtesensor mittels der Heizvorrichtung auf einer Betriebstemperatur gehalten, die wenigstens annäherungsweise um eine Differenztemperatur oberhalb einer Umgebungstemperatur des Feuchtesensors liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet insbesondere eine elektrische Heizvorrichtung Verwendung, bei der eine zeitlich konstante elektrische Leistung in Wärme umgesetzt und an den Feuchtesensor abgegeben wird.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende Verfahrensschritte zum Abgleichen der Messvorrichtung vorgesehen. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Feuchtesensor mit der thermisch daran gekoppelten Heizvorrichtung in ein Gas bei einer bekannten ersten relativen Feuchte und einer bekannten Temperatur eingebracht, wobei ein erster Abgleichwert für die relative Feuchte mittels der Feuchtigkeitsmessvorrichtung ermittelt wird. Die bekannte erste relative Feuchte, die der tatsächlichen Feuchte des zu messenden Gases entspricht, stellt einen ersten korrigierten Messwert zu dem von dem Feuchtesensor gelieferten ersten Abgleichwert dar. In ei- nem nächsten Verfahrensschritt wird der Feuchtesensor mit der Heizvorrichtung in ein Gas bei einer bekannten zweiten relativen Feuchte und der bekannten ersten Temperatur eingebracht, wobei mittels des Feuchtesensors ein zweiter Abgleichwert für die relative Feuchte ermittelt wird. Die be- kannte zweite relative Feuchte bildet dabei einen zweiten korrigierten Messwert zu dem von dem Feuchtesensor gelieferten zweiten Abgleichwert. Anhand der bekannten ersten und zweiten relativen Feuchte und anhand des ersten und zweiten von dem Feuchtesensor gelieferten Abgleichwerts, werden nach- folgend Parameter ermittelt, die eine Umrechnung der von dem Feuchtesensor gelieferten Messwerte in die tatsächlichen Werte der relativen Feuchte ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfüh- rungsbeispielen in Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 Draufsicht auf ein Heizelement und einen Feuchtesensor, die miteinander verklebt sind; Fig. 3 Draufsicht auf ein Heizelement und einen Feuchte- sensor, die unmittelbar in Kontakt stehen;
Fig. 4 Vorderansicht einer Anordnung aus Heizelement und Feuchtesensor, die nebeneinander angeordnet sind;
Fig. 5 Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit detaillierter Darstellung des Feuchtesensors und der Heizvorrichtung sowie der an den Feuchtesensor angeschlossenen Auswerteeinheit ;
Fig. 6 Grafischer Verlauf des Ausgangssignals eines Feuchtesensors und der tatsächlichen Feuchte in dem zu messenden Gas.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeiche gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung zur Ermittlung der relativen Feuchte in Gasen. Die Messvorrichtung weist einen Feuchtesensor 10 und eine an den Feuchtesensor 10 angeschlossene Auswerteeinheit 20 zur Bereitstellung eines von einer relativen Feuchte in einem Gas abhängigen Messwerts auf. Die Auswerteeinheit 20 weist insbesondere ein in Fig. 1 nicht näher dargestelltes Display auf, um einen ermittelten Messwert an einen Benutzer auszugeben. Zur Beheizung des Feuchtesensors 10 ist bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung eine Heizvorrichtung 30 vor- gesehen, wobei ein Heizelement 32 der Heizvorrichtung thermisch mit dem Feuchtsensor 10 gekoppelt ist. Die Heizvorrichtung 30 ist derart ausgebildet, dass der Feuchtesensor 10 auf einer Betriebstemperatur gehalten wird, die um eine konstan- ten Differenztemperatur oberhalb einer Umgebungstemperatur des zu messenden Gases gehalten wird.
Diese Beheizung bewirkt, dass auch bei hohen relativen Feuch- ten keine Flüssigkeit an dem Feuchtigkeitssensor kondensiert, welche zu Verfälschungen des Messergebnisses und/oder zu Be- schädigunen des Feuchtesensors führen könnte. Ausserdem wird durch die Beheizung verhindert, dass die relative Feuchte im Bereich des Sensors hohe Werte erreicht, bei denen eine Drift des Messignals auftreten könnte.
Um den Feuchtesensor 10 wenigstens annäherungsweise unabhängig von der Umgebungstemperatur des Gases um den Wert der Differenztemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur zu hal- ten, ist die Heizvorrichtung 30 gemäß Fig. 1 als elektrische Heizvorrichtung ausgebildet, in welcher eine über der Zeit konstante elektrische Leistung in Wärme umgesetzt wird. Die Heizvorrichtung 30 weist dazu eine konstante Spannungsquelle 34 auf, welche an das Heizelement 32 angeschlossen ist. Das Heizelement 32 weist zur Umsetzung der durch die Spannungsquelle 34 bereitgestellten elektrischen Energie in Wärme vorzugsweise einen Ohmschen Widerstand auf oder besteht aus einem solchen Ohmschen Widerstand. Die Fig. 2 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele zur thermischen Kopplung des Heizelemntes 32A; 32B; 32C; und des Feuchtesensors 10A; 10B; IOC.
Figur 2a zeigt in Seitenansicht ein plattenförmiges Heizelement 32A und einen plattenfδrmigen Feuchtesensor 10A, die mittels eines wärmeleitenden Klebers 40, der zwischen dem Heizelement 32A und dem Feuchtesensor 10A eingebracht ist, verbunden sind. Als Kontaktfläche für den Kleber 40 ist dabei sowohl bei dem Heizelement 32A als auch bei dem Feuchtesensor 10A eine der Flächen gewählt, die im Verhältnis zu den anderen Flächen des jeweiligen Elements einen großen Flächenin- • halt aufweist, um so eine gute thermische Kopplung zwischen dem Heizelement 32A und dem Feuchtesensor 10A zu erzielen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, das ebenfalls ein Heizelement 32B und einen thermisch gekoppelten Feuchtesensor 10B in Seitenansicht zeigt, sind das Heizelement 32B und der Feuchtesensor 10B ebenfalls an Seitenflächen aneinanderge- fügt, die im Verhältnis zu anderen Seitenflächen des jeweiligen Elements 32B, 10B einen großen Flächeninhalt aufweisen, um eine gute thermische Kopplung des Heizelements 32B und des Feuchtesensors 10B zu ermöglichen. Auf einen wärmeleitenden Kleber ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 verzich- tet. Statt dessen sind das Heizelement 32B und der Feuchtesensor 10B direkt aneinandergefügt, was beispielsweise durch direktes Aufbringen eines Heizwiderstandes als Heizelement 32B auf dem Sensor 10 in einem Verfahren in Dünnschicht- oder Dickschichttechnologie erfolgen kann.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung aus Heizelement 32C und Feuchtesensor IOC in Draufsicht, wobei das Heizelement 32C und der Feuchtesensor IOC an schmäleren Seiten aneinandergefügt sind, so dass Vorder- bzw. Hin- terseiten des plattenartig ausgebildeten Heizelements 32C und des plattenartig ausgebildeten Feuchtesensors IOC in etwa in einer Ebene liegen.
Der Feuchtesensor 10 ist vorzugsweise ein herkömmlicher kapa- zitiver Feuchtesensor zur Ermittlung der relativen Feuchte in Gasen. Ein derartiger Feuchtesensor 10 ist in Fig. 5 in Seitenansicht schematisch dargestellt. Er weist eine erste plat- tenförmige Elektrode 12 und eine zweite plattenförmige Elekt- rode 14 mit einem dazwischenliegenden feuchtesensitiven Dielektrikum 16 auf, die einen Kondensator 11 bilden. Die Dielektrizitätskonstante dieses Dielektrikums 16 variiert mit der Feuchte, die im Bereich des Dielektrikums 16 vorliegt, wobei die erste Elektrode 12 feuchtigkeitsdurchlässig ist, damit Feuchtigkeit zu dem Dielektrikum 16 vordringen kann. Die erste Elektrode 12 besteht hierzu vorzugsweise aus einem porösen Material oder ist gitterartig ausgebildet. Der von der Feuchtigkeit der Umgebung abhängige Wert der Dielektrizi- tätskonstante des Dielektrikums 16 bestimmt die Kapazität dieses aus der ersten Elektrode 12, der zweiten Elektrode 14 und dem Dielektrikum 16 aufgebauten Kondensators. Zur Auswertung der Dielektrizitätskonstanten bzw. der Kondensatorkapazität, und damit zur Ermittlung der relativen Feuchte in der Umgebung des Feuchtigkeitssensors 10, ist der Feuchtigkeits- sensor 10 an die Auswerteeinheit 20 angeschlossen.
Die Auswerteeinheit weist vorzugsweise einen nicht näher dargestellten Schwingkreis auf, wobei der Kondensator 11 Teil dieses Schwingkreises ist und wobei die Kapazität des Kondensators 11 anhand der Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises ermittelt wird. Zur Ermittlung der relativen Feuchte aus dem Wert der Kapazität des Kondensators, bzw. der Resonanzfrequenz des Schwingkreises, ist eine Umrechnung oder Normierung dieser Werte in die Werte der relativen Feuchte erforderlich. Da bei der Herstellung der Kondensatoren Fertigungstoleranzen auftreten, sind die Umrechnungsgrößen oder Normierungsgrößen von Feuchtesensor zu Feuchtesensor unterschiedlich.
Um diese Fertigungstoleranzen bei der Feuchtemessung zu eliminieren ist bei jedem Feuchtesensor eine individuelle Justierung, bzw. ein individueller Abgleich der ermittelten Messwerte mit dem tatsächlichen Messwert erforderlich. Dieser Abgleich erfolgt werkseitig und ist von den späteren Einsatzbedingungen unabhängig, so dass eine spätere einsatzbedingte NachJustierung der Messvorrichtung nicht erforderlich ist.
Der Abgleich einer Messvorrichtung vor dem ersten Einsatz ist bekannt und erfolgt beispielsweise mittels eines Potentiometers in der Auswerteschaltung, das werkseitig eingestellt wird, um fertigunsgbedingte Toleranzen des Kondensators auszugleichen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit eine erste Auswerteeinheit 22 aufweist, die ein erstes Messsignal Ml ausgibt, das von der Kapazität des Kondensators und damit von der Feuchte im Bereich des Feuchtsensors 10 abhängig ist. Bei diesem ersten Messsignal sind Abweichungen gegenüber dem tatsächlichen Feuchtewert, die sich aus Fertigungstoleranzen des Kondensators und aus der Aufheizung des Feuchtesensors gegenüber der Umgebungstemperatur ergeben, vorhanden.
Die relative Feuchte in einem Gas ist temperaturabhängig. Sie ergibt sich als Quotient aus der absoluten Feuchte, welche das Volumen an verdampfter Flüssigkeit pro Gasvolumeneinheit angibt, und der Sättigungsfeuchte, welche das maximal mögli- ehe Volumen verdunsteter Flüssigkeit pro Gasvolumeneinheit angibt. Dabei gilt, dass bei einer gegebenen absoluten Feuchte des Gases die relative Feuchte mit zunehmender Temperatur abnimmt. Der an dem Feuchtesensor 10 ermittelte Wert für die relative Feuchte ist bei der erfindungsgemäßen Messvorrich- tung damit stets geringer als der tatsächliche Wert der relativen Feuchte in dem Gas. In Figur 6 sind erste Messwerte Ml der ersten Auswerteeinheit 22 für verschiedene Werte der relativen Feuchte zwischen 0% und 100% dargestellt. Die mit N gekennzeichnete Kurve stellt dabei die tatsächlichen Feuchtewerte, bzw. die gewünschte Ausgabe der Messvorrichtung für diese Feuchtewerte dar. Wie ersichtlich ist, weichen die ersten Messwerten Ml, von den tatsächlichen Messwerten N ab. Diese Abweichungen resultieren zum einen aus Fertigungstoleranzen des Kondensators des Feuchtesensors und aus der Aufheizung des Feuchtesensors. Der Vollständigkeit halber zeigt Figur 6 eine Kurve von Messwerten MO, die mit demselben Feuchtesensor ohne Beheizung ermittelt werden.
Der ersten Auswerteeinheit 22 ist bei der Messvorrichtung ge- maß Figur 5 eine Korrektureinheit 24 nachgeschaltet, welche die ersten Messwerte Ml in die zugehörigen korrigierten Messwerte N umrechnet. Sowohl die Kurve der ersten Messwerte als auch die Kurve der korrigierten Messwerte bilden eine Gerade, wobei die Kurve der ersten Messwerte der Form Ml=ax+b genügt während die Kurve der tatsächlichen Messwerte der Form N=x genügt, wobei x den Parameter für die tatsächliche relative Feuchte darstellt. Alle ersten Messwerte Ml lassen sich anhand der genannten Beziehungen für Ml und N anhand folgender Gleichung in tatsächliche Messwerte (normierte Messwerte) um- rechnen:
N = 1/a • Ml - b/a = c • Ml - d (1)
Bei dem in den Figur 6 dargestellte Ausführungsbeispiel gilt für den Faktor c=l,43 und für den additiven Wert d= 35,71. Die Berechnung, bzw. Zuordnung der ersten Messwerte Ml zu den tatsächlichen Messwerten N für die relative Feuchte kann in . der Korrektureinheit auf verschiedene Art und Weise erfolgen.
So ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in der Korrektureinheit eine Recheneinheit vorgesehen ist, die anhand der Gleichung (1) die tatsächlichen Messwerte N aus den ersten Messwerten Ml berechnet, wobei die tatsächlichen Messwerte N an eine Anzeigeeinheit 26 ausgegeben wer- den. Die beiden Parameter der Gleichung (1) werden in der
Korrektureinheit bei der werkseitigen Justierung gespeichert. Der Ermittlung der beiden Parameter c, d liegt die Gleichung der Geraden der ersten Messwerte Ml zugrunde. Zur Aufstellung dieser Geradengleichung genügen zwei Messwerte für unter- schiedliche Feuchten bei einer konstanten Temperatur.
Die ermittelten Parameter zur Umrechnung der ersten Messwerte Ml in die ausgegebenen normierten Messwerte N sind weitgehend unabhängig von der Temperatur. So wurde bei einem Test einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung eine Gleichung für die Gerade der ersten Messwerte Ml aus nur zwei Messwerten erstellt, die bei einer Temperatur von 25°C und bekannten relativen Feuchten von 11 % und 75 % gemesssen wurden. Anhand dieser beiden Messwerte wurden die Parameter c und d ermit- telt und abgespeichert, wobei nachfolgend mittels der ersten Messwerte Ml und der Gleichung (1) in der Auswerteeinheit des Feuchtesensors die relative Feuchte von Gasen bestimmt wurde, deren Temperatur zwischen -30°C und 120°C betrug, ohne dass eine nennenswerte temperaturbedingte Abweichung der ausgege- benen Messergebnisse von den tatsächlichen Werten der relativen Feuchte beobachtet werden konnte . Zur Zuordnung der ersten Messwerte zu den korrigierten Messwerten besteht auch die Möglichkeit, eine Tabelle in der Korrektureinheit abzuspeichern, die erste Messwerte und zugehö- roige korrigierte Messwerte enthält, wobei zu jedem ersten Messwert Ml, der der Korrektureinheit zugeführt wird, der zugehörige korrigierte Messwert aus der Tabelle ausgelesen wird.
Für die Umrechnung der ersten Messwerte Ml in die normierten Messwerte N ist es unerheblich, ob die Abweichung der Kurve für die ersten Messwerte Ml von der Kurve für die normierten Messwerte N durch Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Kondensatoren, durch die Beheizung des Feuchtesensors o- der durch diese beide Effekte bedingt ist. Als Auswerteein- heiten können für die Erfindung daher übliche Auswerteeinheiten von bekannten Feuchtesensoren vorgesehen werden, bei denen die Möglichkeit besteht, den Feuchtesensor nach dessen Herstellung individuell zu justieren.
Bezugszeichenliste
10 Feuchtesensor
10A, 10B, IOC Feuchtesensor 11 Kondensator
12 erste Elektrode
14 zweite Elektrode
16 Dielektrikum
20 Auswerteeinheit 22 erste Auswerteeinheit
24 Korrektureinheit
25 Speichereinheit
26 Anzeigeeinheit
30 Heizvorrichtung 32 Heizelement
32A, 32B, 32C Heizelement
34 Gleichspannungsquelle
40 wärmeleitender Kleber

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung zur Feuchtemessung in Gasen, die folgende Merkmale aufweist :
- einen Feuchtesensor (10) und eine daran angeschlossene Aus- werteeinheit (20) zur Bereitstellung eines von einer relativen Feuchte in einem Gas abhängigen Messwerts;
- eine thermisch mit dem Feuchtesensor (10) gekoppelte Heizvorrichtung (30) ;
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Heizvorrichtung (20) dazu ausgebildet ist, den Feuchtesensor (10) auf einer Betriebstemperatur zu halten, die um eine wenigstens annnaherungsweise konstante Differenztemperatur oberhalb einer Umgebungstemperatur des Feuchtesensors liegt.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Heizvorrich- tung (30) ein elektrisches Heizelement (32) aufweist, dem eine über der Zeit konstante elektrische Leistung zugeführt ist .
3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 bei der die Heiz- Vorrichtung (30) einen Heizwiderstand aufweist, der an eine konstante Spannungsquelle (34) angeschlossen ist.
4. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Feuchtesensor (10) ein kapazitiver Feuchtesensor ist.
5. Messvorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die Auswerteeinheit (20) eine erste Auswerteeinheit (22) zur Bereitstellung eines von einer Kapazität des Feuchtesensors (10) abhängigen ersten Messsignals (Ml) aufweist.
6. Messvorrichtung nach Ansprch 5, bei der die Auswerteein- heit (20) eine der ersten Auswerteeinheit nachgeschaltete
Korrektureinheit (24) zur Ermittlung eines korrigierten Messwerts (N) zu einem ersten Messwert (Ml) aufweist.
7. Verfahren zur Ermittlung der relativen Feuchte in einem Gas, mittels einer Messvorrichtung, die einen Feuchtesensor
(10) und eine daran angeschlossene Auswerteeinheit (20) sowie eine thermisch an den Feuchtesensor gekoppelte Heizvorrichtung (30) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Feuchtesensor (10) mittels der Heizvorrichtung (30) auf einer Betriebstemperatur gehalten wird, die wenigstens annäherungsweise um eine Differenztemperatur oberhalb einer Umgebungstemperatur des Feuchtesensors (10) liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Heizvorrichtung (30) eine elektrische Heizvorrichtung ist, der eine konstante e- lektrische Leistung zugeführt ist.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein kapazitiver Feuchtesensor verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Auswerteeinheit (20) eine Korrektureinheit (24) zur Ermittlung eines korrigierten Messwerts (N) zu einem anhand der Kapazität des Feuchtesensors ermittelten ersten Messwerts (Ml) aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zu einem ersten Messwert (Ml) der korrigierte Messwert (N) ausgegeben wird.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zum Justieren der Messvorrichtung folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:
- Einbringen des Feuchtesensors (10) mit Heizvorrichtung (32) in ein Gas bei einer bekannten ersten relativen Feuchte und einer bekannten ersten Temperatur, und Ermitteln eines ersten Abgleichwerts für die relative Feuchte mittels der Feuchtig- keitsmessVorrichtung;
- Einbringen des Feuchtesensors (10) mit Heizvorrichtung (32) in ein Gas bei einer bekannten zweiten relativen Feuchte und der ersten Temperatur und Ermitteln eines zweiten Abgleichwerts für die relative Feuchte mittels der Messvorrichtung;
- Rechnerische Ermittlung von Parametern (c, d) zur Umrechnung der ersten Messwerte (Ml) in korrigierte Messwerte (N) anhand der Abgleichwerte;
- Speichern der Parameter (c, d) in der Korrektureinheit
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