CH661986A5

CH661986A5 - Verfahren und anordnung zum messen der verschmutzung eines kapazitiven taupunktsensors.

Info

Publication number: CH661986A5
Application number: CH4659/83A
Authority: CH
Inventors: Paulus Petrus L Dr-Ing Regtien
Original assignee: Endress Hauser Gmbh Co
Priority date: 1982-08-27
Filing date: 1983-08-26
Publication date: 1987-08-31
Also published as: SE8304613L; GB8323158D0; DE3231995C2; NL8302753A; SE460740B; IT1159590B; GB2127975A; GB2127975B; SE8304613D0; DE3231995A1; US4626774A; JPS5985949A; IT8367893A0; JPH0260141B2; FR2532427A1; FR2532427B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Verschmutzung eines kapazitiven Taupunktsensors sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Kapazitive Taupunktsensoren werden in Taupunktmessgeräten dazu verwendet, das Auftreten des Taubeschlags auf der Kondensationsfläche beim Erreichen derTaupunkttem-peratur festzustellen. Ihre Wirkung beruht darauf, dass sich die Sensorkapazität wegen der grossen Dielektrizitätskonstante von Wasser bei der Bildung einer Tauschicht beträchtlich ändert. Durch eine Temperaturregelung kann die Kapazität und damit die Tauschichtdicke auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden. Die von einem Temperatursensor gemessene Temperatur der Kondensationsfläche ist dann die Taupunkttemperatur.

Die Messgenauigkeit solcher kapazitiver Taupunktsensoren nimmt mit zunehmender Verschmutzung der Sensoroberfläche ab. Ursachen hierfür sind die Dampfdruckerniedrigung und eine nichthomogene Taubildung. Die Kondensationsfläche des Taupunktsensors muss deshalb von Zeit zu Zeit gereinigt werden. Da es jedoch schwierig ist, den Verschmutzungsgrad festzustellen, besteht die Gefahr, dass längere Zeit unbemerkt zunehmende Messfehler auftreten, oder dass bei zu häufiger Reinigung die Taupunktmessung unnötig oft unterbrochen wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem die Verschmutzung eines kapazitiven Taupunktsensors ohne Störung oder Unterbrechung der Taupunktmessung fortlaufend gemessen werden kann.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass der Phasenwinkel der bei Betauung bestehenden Sensorimpedanz gemessen und als Mass für die Verschmutzung verwendet wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich der Phasenwinkel der Sensorimpedanz in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad des Taupunktsensors ändert. Im trok-

kenen Zustand ist die Impedanz des Taupunktsensors, unabhängig vom Verschmutzungsgrad, praktisch ein rein kapazitiver Blindwiderstand, so dass die Sensorimpedanz den Phasenwinkel cp = —90° hat. Wenn sich auf dem Taupunktsensor eine Wasserschicht bildet, hängt der Phasenwinkel von der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers ab. Bei reinem Wasser bleibt im wesentlichen der Phasenwinkel cp = —90° bestehen. Dieser Zustand tritt ein, wenn sich der Taubeschlag auf einer vollkommen sauberen Kondensationsfläche bildet. Wenn dagegen die Kondensationsfläche verschmutzt ist, lösen sich die Verschmutzungen in dem Wasser des Taubeschlags, wodurch das Wasser elektrisch leitfähig wird. Je grösser die Leitfähigkeit ist, um so kleiner wird der Phasenwinkel cp der Sensorimpedanz.

Die Messung des Phasen winkels der Sensorimpedanz als Mass für die Verschmutzung des Taupunktsensors ergibt ein Signal, das sich analog zum Verschmutzungsgrad ändert. Die Messung kann gleichzeitig mit der Taupunktmessung kontinuierlich durchgeführt werden, ohne dass die Taupunktmessung dadurch in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Die Verschmutzungsmessung ist weitgehend unabhängig von anderen Einflussgrössen, wie Taupunkttemperatur, Gastemperatur, Taupunktabstand und Luftgeschwindigkeit.

Ferner wurde festgestellt, dass für nicht zu hohe Messfrequenzen der Phasenwinkel cp der Sensorimpedanz unabhängig von der Wassermenge, also von der Tauschichtdicke ist. Im übrigen ist der Einfluss der Tauschichtdicke auch bei höheren Frequenzen nicht störend, da gewöhnlich durch Temperaturregelung eine konstante Tauschichtdicke eingestellt wird, so dass auch für den Zusammenhang zwischen Phasenwinkel und Verschmutzungsgrad ein eindeutiges Ergebnis erhalten wird.

Dagegen wurde festgestellt, dass der Betrag der Sensorimpedanz ein Mass für die Wassermenge, also für die Tauschichtdicke ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung besteht daher darin, dass der Betrag der Sensorimpedanz als Mass für die Tauschichtdicke gemessen wird.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist im Patentanspruch 4 gekennzeichnet. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen kapazitiven Taupunktsensor in Dünnfilmtechnik,

Fig. 2 eine Schnittansicht des Taupunktsensors von Fig. 1 und

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Taupunktmessgeräts mit einem kapazitiven Taupunktsensor und mit einer Anordnung zur Messung der Verschmutzung des Taupunktsensors.

Der in Fig. 1 in Draufsicht und in Fig. 2 im Schnitt dargestellte kapazitive Taupunktsensor 1 hat ein Substrat 2, auf dessen Oberfläche zwei ineinandergreifende Kammelektroden 3 und 4 in Dünnfilmtechnik gebildet sind. Das Substrat 2 besteht aus einem feuchtigkeitsunempfindlichen Isoliermaterial, vorzugsweise aus Keramik. An die Kammelektroden 3,4 sind Kontaktflächen 5 bzw. 6 angeformt, die den Anschluss einer äusseren Messschaltung ermöglichen. Die die Kammelektroden 3,4 tragende Fläche des Substrats 2 ist mit einer Schutzschicht 7 bedeckt, die beispielsweise aus Glas besteht. Auf der Oberseite des Taupunktsensors ist ferner ein Temperatursensor 8 zur Messung der Temperatur des Taupunktsensors angebracht. Der Temperatursensor kann beispielsweise der Messwiderstand eines Widerstandsthermometers sein.

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Bei Verwendung eines solchen kapazitiven Taupunktsensors in einem Taupunktmessgerät wird bekanntlich der Taupunktsensor durch eine geeignete Kühleinrichtung abgekühlt, bis sich auf der Oberseite der Schutzschicht 7 Tau niederschlägt. Durch die Bildung der Tauschicht ändert sich die an den Kontaktflächen 5 und 6 gemessene Kapazität zwischen den Kämmelektroden 3 und 4 wegen der grossen Dielektrizitätskonstante von Wasser. Die Kapazitätsänderung zeigt das Erreichen der Taupunkttemperatur an, die mit Hilfe des Temperatursensors 8 gemessen und angezeigt wird. Gewöhnlich ist eine Temperaturregeleinrichtung vorhanden, die die Kühleinrichtung so steuert, dass eine konstante Tauschichtdicke aufrechterhalten wird. Der Taupunktsensor wird dadurch ständig auf der Taupunkttemperatur gehalten, die mit Hilfe des Temperatursensors 8 dauernd angezeigt werden kann.

Die Messgenauigkeit des Taupunktsensors wird beeinträchtigt, wenn die die Kondensationsfläche bildende Oberfläche der Glasschicht 7 verschmutzt ist, weil die Verschmutzung zu einer Dampfdruckerniedrigung und einer nichthomogenen Taubildung führen kann.

Fig. 3 zeigt das Schaltschema eines Taupunktmessgeräts, das ausser der Messung der Taupunkttemperatur auch die Messung der Verschmutzung des Taupunktsensors ermöglicht.

Das Ersatzschaltbild des Taupunktsensors ist in dem gestrichelten Kasten 1 dargestellt. Der Kondensator C stellt die im trockenen Zustand zwischen den Kontaktflächen 5 und 6 erscheinende Kapazität des Taupunktsensors dar, die praktisch verlustfrei ist. Wenn sich auf dem Taupunktsensor eine Tauschicht gebildet hat, liegt parallel zu dieser Kapazität C die Impedanz Z der Tauschicht, die eine verlustbehaftete Kapazität darstellt, deren Verlustfaktor von der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers abhängt, die wiederum durch den auf der Kondensationsfläche vorhandenen Schmutz verursacht wird, der sich im Wasser löst.

Die Kontaktfläche 5 ist mit der einen Klemme einer Wechselspannungsquelle 10 verbunden, deren andere Klemme an Masse liegt. Die Kontaktfläche 6 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 11 verbunden, dessen nichtinvertierender Eingangan Masse gelegt ist und in dessen Rückkopplungszweig eine Bezugsimpedanz Zr liegt.

Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 11 ist ferner mit der einen Klemme eines einstellbaren Kompensationskondensators 12 verbunden, dessen andere Klemme an eine Wechselspannungsquelle 13 angeschlossen ist, die eine zur Wechselspannung Ui der Wechselspannungsquelle 10 gegenphasige Wechselspannung — Ui gleicher Amplitude liefert.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 11 ist mit dem einen Eingang einer Phasenmessschaltung 14 verbunden, die am anderen Eingang die Spannung Ui der Wechselspannungsquelle 10 als Phasenbezugsgrösse empfängt. Die Phasenmessschaltung 14 liefert am Ausgang ein von der Phasenverschiebung zwischen ihren Eingangsspannungen abhängiges Signal.

Ferner ist an den Ausgang des Operationsverstärkers 11 eine Signalverarbeitungsschaltung 15 angeschlossen, deren Ausgangssignal einem Temperaturregler 16 zugeführt wird. Der Temperaturregler 16 steuert eine Kühleinrichtung 17, die den Taupunktsensor 1 kühlt. Fig. 3 zeigt noch den Temperatursensor 8, der mit einer Temperaturmessschaltung 18 verbunden ist, die ein von der Temperatur des Taupunktsensors 1 abhängiges Signal liefert, das mittels einer Anzeigevorrichtung 19 angezeigt wird.

Wenn angenommen wird, dass sich eine Tauschicht auf dem Taupunktsensor gebildet hat, ist ausser der Trockenka-pazität C auch die Impedanz Z der Tauschicht vorhanden.

Die Spannungsquelle 10 schickt über die Gesamtimpedanz des Taupunktsensors 1 zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11 einen Strom, der sich aus dem über die Kapazität C fliessenden Strom Ic und aus dem über die Impedanz Z der Tauschicht fliessenden Strom Iz zusammensetzt :

I = Ic+ Iz.

Der Kompensationskondensator 12 ist so eingestellt, dass seine Kapazität gleich der Trockenkapazität C des Taupunktsensors 1 ist. Die Spannungsquelle 13 schickt somit über den Kompensationskondensator 12 einen Strom — Ic, der den vom Taupunktsensor 1 kommenden Strom Ic kompensiert. Über die Bezugsimpedanz Zr fliesst somit nur der Strom Iz, der der Impedanz Z umgekehrt proportional ist.

Die Ausgangsspannung Uo des Operationsverstärkers 11 nimmt somit den folgenden Wert an :

Uo = - Ui —.

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Die Spannung Uo hat somit einen Betrag, der dem Betrag der Impedanz Z umgekehrt proportional ist, und sie weist gegenüber der Spannung U. eine Phasenverschiebung auf, die vom Phasenwinkel der Impedanz Z abhängt. Durch geeignete Bemessung des Phasenwinkels der Bezugsimpedanz Zr kann erreicht werden, dass diese Phasenverschiebung gleich dem Phasenwinkel der Impedanz Z ist.

Wenn die Impedanz der Tauschicht in der komplexen Form

Z = R +jX

geschrieben wird, worin R den Realteil und X den Imaginärteil der Impedanz darstellen, ist bekanntlich der Phasenwinkel der Impedanz Z durch die folgende Beziehung definiert:

t X cp = arctg —.

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Wenn die Kondensationsfläche des Taupunktsensors vollkommen sauber ist, bleibt das Wasser in der sich niederschlagenden Tauschicht elektrisch nichtleitend und die Impedanz Z ist praktisch eine reine Kapazität, die parallel zur Trocken-kapazität C liegt. Der Realteil der Impedanz Z ist R = O, und der Phasenwinkel der Impedanz Z hat den Wert <p = —90°. Mit zunehmender Verschmutzung des Taupunktsensors nimmt die elektrische Leitfähigkeit des Wassers in der Tauschicht zu, und demzufolge wird der Realteil R der Impedanz der Tauschicht grösser, so dass der Winkel (p dem Absolutwert nach kleiner wird. Demzufolge ändert sich auch die Phasenverschiebung zwischen der Ausgangsspannung Uo des Operationsverstärkers 11 und der Eingangsspannung U. Diese Änderung der Phasenverschiebung wird durch das Ausgangssignal der Phasenmessschaltung 14 angezeigt, das somit ein Mass für die Verschmutzung des Taupunktsensors 1 ist.

Wenn die Frequenz der Wechselspannungsquelle 10 nicht allzu gross ist, ist der Phasenwinkel cp weitgehend unabhängig von der auf dem Taupunktsensor befindlichen Wassermenge.

Die Tatsache, dass die Amplitude der Ausgangsspannung Uo des Operationsverstärkers 11 vom Betrag der Impedanz Z abhängt, wird bei der dargestellten Schaltung zur Durchführung der Taupunktmessung ausgenutzt, so dass keine besondere Kapazitätsmessschaltung erforderlich ist. Die Amplitude der Spannung Uo ist zum Betrag der Impedanz Z umge-

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kehrt proportional, was günstig ist, weil sich der Betrag der Impedanz Z entgegengesetzt zur Tauschichtdicke ändert, nämlich mit zunehmender Tauschichtdicke kleiner wird. Die Amplitude der Spannung Uo ändert sich also in Abhängigkeit von der Tauschichtdicke im gleichen Sinne wie das Ausgangssignal der bei Taupunktmessgeräten üblicherweise verwendeten Kapazitätsmessschaltungen, nämlich gleichsinnig mit der Tauschichtdicke. Wenn daher die Signalverarbei- ' tungsschaltung so ausgebildet ist, dass sie ein der Amplitude der Spannung Uo proportionales Ausgangssignal abgibt,

kann dieses Ausgangssignal in gleicher Weise wie das Ausgangssignal einer üblichen Kapazitätsmessschaltung zur Regelung der Temperatur des Taupunktsensors verwendet werden.

Die Signalverarbeitungsschaltung 15 kann daher eine einfache Gleichrichterschaltung sein, die eine der Amplitude der Spannung Uo proportionale Gleichspannung zum Temperaturregler 16 liefert.

Wenn der Taupunktsensor 1 noch nicht auf die Taupunkttemperatur abgekühlt ist, besteht nur die Trockenkapazität C, die jedoch durch den Kompensationskondensator 12 kompensiert ist, so dass die Ausgangsspannung Uo den Wert Null hat. Dadurch wird der Temperaturregler 16 veranlasst, die Kühleinrichtung 17 so zu steuern, dass der Taupunktsensor 1 zunehmend abgekühlt wird. Wenn die Taupunkttemperatur erreicht ist und sich eine Tauschicht auf dem Taupunktsensor bildet, steigt die Ausgangsspannung Uo an, und der Temperaturregler 16 steuert die Kühleinrichtung 17 so, dass der Taupunktsensor 1 auf einer Temperatur gehalten wird, die einer vorbestimmten Amplitude der Ausgangsspannung Uo, also einem vorbestimmten Wert des Betrags der Impedanz Z entspricht. Diese Temperatur ist die Taupunkttempe-5 ratur, die vom Temperatursensor 8 festgestellt und vom Anzeigegerät 9 angezeigt wird.

Das Ausgangssignal der Phasenmessschaltung 14 kann dazu verwendet werden, einen Alarm oder einen automatischen Reinigungsvorgang auszulösen, wenn die Verschmutzung einen festgelegten Grenzwert übersteigt. In beschränktem Masse ist es auch möglich, aufgrund des Ausgangssignals der Phasenmessschaltung eine Korrektur des Taupunktmesswerts vorzunehmen.

Ts Die durch den Kompensationskondensator 12 und die Spannungsquelle 13 bewirkte Kompensation derTrockenka-pazität C ist nicht unbedingt erforderlich, denn von der Verschmutzung des Taupunktsensors hängen nicht nur Phase und Betrag der Impedanz Z, sondern auch die Phase und der 20 Betrag der Gesamtimpedanz des Taupunktsensors einschliesslich der Trockenkapazität C ab. Die in Fig. 3 dargestellte Kompensation macht aber die Verschmutzungsmessung genauer und empfindlicher. Ein besonderer Vorteil der in Fig. 3 dargestellten Schaltung besteht darin, dass die Mes-25 sung unabhängig von der Impedanz des Verbindungskabels zwischen dem Taupunktsensor 1 und der Messschaltung ist, weil die Kabelimpedanz zwischen den beiden Eingängen des Operationsverstärkers 11 liegt.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

661 986 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Messen der Verschmutzung eines kapazitiven Taupunktsensors, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwinkel der bei Betauung bestehenden Sensorimpedanz gemessen und als Mass für die Verschmutzung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Sensorimpedanz als Mass für die Tauschichtdicke gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im trockenen Zustand bestehende Kapazität des Taupunktsektors kompensiert wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Taupunktsensor zwischen einer Wechselspannungsquelle und dem Eingang eines Operationsverstärkers angeschlossen ist, in dessen Rückkoppelungszweig eine Bezugsimpedanz liegt, und dass der Ausgang des Operationsverstärkers mit dem einen Eingang einer Phasenmessschal-tung verbunden ist, die am anderen Eingang ein von der Wechselspannungsquelle abgeleitetes Phasenbezugssignal empfängt und ein vom Phasenwinkel der Sensorimpedanz abhängiges Ausgangssignal liefert.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationskondensator zwischen einer zur ersten Wechselspannungsquelle gegenphasigen zweiten Wechselspannungsquelle und dem Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist.