DE102007034686B4

DE102007034686B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche

Info

Publication number: DE102007034686B4
Application number: DE200710034686
Authority: DE
Inventors: Michael Kunze
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2009-11-05
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: DE102007034686A1

Abstract

Vorrichtung (200) zum Bestimmen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche, mit:
einer Einrichtung (210) zum Bewirken einer zeitlich begrenzten Änderung einer Temperatur der Körperoberfläche (50) von einer ersten Temperatur (T₁) auf eine zweite Temperatur (T₂) durch einen Heizpuls, um einen Temperaturverlauf (310) der Körperoberfläche mit einer steigenden Flanke (330) und einer fallenden Flanke (340) als Referenzsignal zu erzeugen, wobei der Niederschlag auf der Körperoberfläche (50) während der steigenden Flanke (330) des Temperaturverlaufs (310) vollständig verdampft wird; und
einer Einrichtung (220) zum Ermitteln eines Maßes für den Niederschlag basierend auf einer Differenz der steigenden Flanke (330) des Temperaturverlaufs (310) und dem Referenzsignal (340).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche, wie sie beispielsweise bei Feuchtesensoren zur Ermittlung einer Taupunktstemperatur eingesetzt werden können.
Feuchtesensoren nach dem Taupunktprinzip sind neben Psychrometern die präzisesten, aber auch aufwendigsten und teuersten Geräte zur Messung der Luftfeuchtigkeit. Bei diesen Sensoren wird eine Körperoberfläche durch Kühlen bis an den Taupunkt gebracht. Auf der Körperoberfläche bildet sich ein Niederschlag in Form eines Flüssigkeitsfilms oder von Flüssigkeitstropfen (Tau). Die Betauung wird durch verschiedene Verfahren festgestellt.
Die Offenlegungsschrift DE 10113190 A1 beschreibt einen Feuchtesensor, bei dem eine Kühleinrichtung den Feuchtesensor so weit abkühlt, dass sich Feuchtigkeit auf einer Körperoberfläche in Form einer Membran niederschlägt. Anschließend wird die Membran mit einer Heizeinrichtung erwärmt. Aufgrund der geringen Wärmekapazität der Membran kann man eine Aufheizkurve bzw. einen Temperaturverlauf, der sich beim Aufheizen einstellt, analysieren und so eine Feuchte-Analyse durchführen. Die gemessene Aufheizkurve wird beispielsweise mit einer gespeicherten Referenz-Aufheizkurve verglichen.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 017 699 A1 beschreibt eine Feuchtesensorvorrichtung mit einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung einer Heizeinrichtung für ein pulsförmiges Aufheizen der Membran mit einem ersten und einem mindestens zweiten Heizpuls einer Heizpulsgruppe. Der erste und der mindestens eine zweite Heizpuls erzeugen einen ersten und mindestens einen zweiten von einer Temperatursensoranordnung erfassbaren Temperaturverlauf. Eine Analyseeinrichtung zur Ermittlung einer Taupunktstemperatur ermittelt durch Vergleich des ersten und des mindestens einen zweiten Temperaturverlaufs, ob der erste Heizpuls ein Verdampfen von Flüssigkeit von der Membran weg bewirkt hat. Der mindestens eine zweite Heizpuls bewirkt kein weiteres Verdampfen von Flüssigkeit auf der Membran, da die Flüssigkeit bereits durch den ersten Heizpuls vollständig verdampft ist. Dadurch kann der zweite Heizpuls und der zweite Temperaturverlauf als eine Art Referenzpuls angesehen werden.
Aus dem Vergleich des durch den ersten Heizpuls erzeugten Temperaturverlaufs, bei dem ein Verdampfen einer auf der Membran befindlichen kondensierten Flüssigkeit stattfindet, und dem wenigstens einen zweiten Referenztemperaturverlauf kann auf die verdampfte Flüssigkeitsmenge, und damit auf eine Feuchte des die Membran umgebenden Mediums geschlossen werden.
Kernelement eines thermischen Taupunktsensors ist beispielsweise eine Silizium-Nitrid-Membran mit einer Kantenlänge von z. B. 600 μm und einer Dicke von weniger als 1 μm. 5a zeigt in Aufsicht eine Prinzipskizze einer Membran 50, auf der kreisförmig Heizer 52 (z. B. aus Polysilizium), sowie Thermopiles bzw. Thermosäulen 54 (z. B. aus Polysilizium und Aluminium) strukturiert sind. Eine Thermosäule 54 ist eine elektronische Vorrichtung, die thermische Energie in elektrische Energie umwandelt. Sie setzt sich aus Thermoelementen, die entweder in Serie oder parallel geschaltet sind, zusammen.
Die in 5a gezeigte Membran 50 ist ein Teil eines größeren Sensorchips, dessen Chipphoto in 5b gezeigt ist.
Zusätzlich zu der Membran 50, den Thermosäulen 54 und dem Heizer 52 befindet sich auf dem Chip 60 eine Diode 62 zur Messung einer Absolut- bzw. Chiptemperatur. Der gesamte Chip 60 wird durch eine Passivierung aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid geschützt.
Unterhalb der Sensormembran 50 wird ein thermoelektrischer Kühler bzw. ein Peltierelement so angebracht, dass die Membran 50 gezielt gekühlt werden kann. Dies ist in 6 dargestellt.
6 zeigt einen in einem Gehäuse 70 angeordneten Sensorchip 60 mit einer Sensormembran 50. Der Sensorchip 60 mit Sensormembran 50 ist über einen Koppelchip 72 mit einem Peltierkühler 74 gekoppelt. Über ein Flexkabel 76, wird der Sensorchip 60 versorgt.
Der Heizer 52 auf der Membran 50 wird mit zyklischen bzw. periodischen Rechteckimpulsen von ca. 20 ms (ms = Millisekunden) angesteuert. Die Wiederholfrequenzen liegen im Bereich von 0,5 Hz (Hz = Hertz). Typische Heizleistungen liegen bei 5 bis 10 mW (mW = Milli-Watt). Die dabei auftretende dynamische Erwärmung der Membran 50 wird über die Thermosäule 54 in ein Thermosäulensignal entsprechend dem Temperaturverlauf umgewandelt und gemessen. Dabei misst bzw. messen die Thermosäule(n) 54 die Temperaturdifferenz zwischen der Sensormembran 50 und dem massiven Teil des Sensorchips 60. Aufgrund der geringen Wärmekapazität der Membran 50 sind Heizimpuls und Antwortsignal in ihren zeitlichen Verläufen sehr ähnlich.
7 zeigt einen Temperaturverlauf bzw. ein Thermosäulensignal 80 einer unbetauten Membran (bei Raumtemperatur als Anfangstemperatur). Ferner zeigt 7 einen Temperaturverlauf 82 einer betauten Membran. Des Weiteren zeigt 7 ein Differenzsignal 84 aus den beiden Temperaturverläufen 80, 82.
Unterschreitet die Membran 50 durch Ansteuern des Peltierkühlers 74 die Taupunktstemperatur T_tau, so bilden sich Kon densatmolekühle (z. B. Wassermoleküle) aus einem Gas (z. B. Luft) auf der Sensormembran 50, d. h. es findet eine Betauung statt. Das auf der Sensormembran 50 befindliche Kondensat stellt eine zusätzliche Wärmekapazität dar, die beim Betätigen des Heizers 52 zu einer verzögerten Erwärmung der Sensormembran 50 führt, und folglich zu einer Änderung des Temperaturverlaufs 82 gegenüber dem Temperaturverlauf 80 der unbetauten Sensormembran 50 führt. Die Steigung des Temperaturverlaufs 82 der betauten Membran 50 ist im Allgemeinen geringer.
Zur Signalauswertung wird ein aktuell gemessener Temperaturverlauf (bei betauter oder unbetauter Membran 50) mit einem Referenztemperaturverlauf (bei unbetauter Membran) verglichen. Dabei kann die Differenz 84 zwischen den Temperaturverläufen 80, 82 betrachtet werden. Die Differenz 84 wird über einen vordefinierten Zeitbereich, der in 7 als schraffierte Fläche dargestellt ist, integriert. Der Betrag des resultierenden Integrationswertes stellt ein Maß für die Betauung auf der Membran 50 dar. Je größer der Integrationswert, desto mehr Kondensatmoleküle befinden sich auf der Membran 50.
Zeichnet man den Integrationswert bei einer kontinuierlichen Abkühlung der Sensormembran 50 auf, so wird ersichtlich, dass dieser beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur stark ansteigt. Dieser Sachverhalt ist in 8 dargestellt. 8 zeigt eine Abhängigkeit des Integrationswertes von der Membrantemperatur, wobei der Integrationswert mit der Einheit [K·ms] (K = Kelvin) über der Membrantemperatur aufgetragen ist.
In 8 ist zu erkennen, dass der Integrationswert bei dem hier dargestellten Beispiel bei einer Temperatur, d. h. einer Temperatur vor dem Anlegen des Heizpulses, von ca. 5,5° Celsius sehr stark ansteigt. Das bedeutet, dass ein gemessener Temperaturverlauf 82 stark von einem Referenztemperaturverlauf der Membran 50 im unbetauten Zustand ab weicht. Indem in 8 gezeigten Beispiel liegt der zu sensierende Taupunkt also bei ca. T_tau = 5,5°C.
Da der Betrag des Integrationswertes von der Kondensatmenge auf der Membran 50 vor dem Anlegen des Heizpulses abhängt und Kondensatmoleküle erst unterhalb der Taupunktstemperatur T_tau auf der Membran 50 kondensieren, findet der starke Anstieg des Integrationswertes beim Unterschreiten der Taupunktstemperatur T_tau statt. Da der Anstieg des Integrationswertes nicht sprungförmig stattfindet, kann die tatsächliche Taupunktstemperatur T_tau aus dem Kurvenverlauf nicht exakt ermittelt werden. Mit Hilfe eines Referenzsensors kann, basierend auf experimentellen Untersuchungen, der Taupunktstemperatur T_tau ein bestimmter Integrationswert zugeordnet werden. Mit dieser Methode kann die Taupunktstemperatur T_tau mit dem thermischen Taupunktsensor entsprechender Genauigkeit des verwendeten Referenzsensors bestimmt werden.
Der thermische Taupunktsensor wird im Betrieb ständig in der Nähe der Taupunktstemperatur gehalten. Die Regelgröße ist dabei nicht die Membrantemperatur selbst, sondern der aus der Signalauswertung gewonnene Integrationswert, der auf einem für den Taupunkt T_tau signifikanten Wert gehalten wird. Die Stellgröße der Regelung ist der Strom zum Betrieb des Peltierkühlers 74.
Eine Optimierung der im Vorhergehenden beschriebenen Signalauswertung kann durch eine Implementierung eines zweiten Heizimpulses erreicht werden ( DE 10 2005 017 699 A1 ). Eine Messung eines Temperaturverlaufs während eines zweiten Heizimpulses liefert dabei das Referenzsignal für das Messsignal, d. h. den Temperaturverlauf, während des ersten Heizimpulses. Dieses Verfahren soll im Nachfolgenden kurz anhand der 9a, b beschrieben werden.
Eine Heizeinrichtung erzeugt einen ersten und einen zweiten Heizpuls 92, 93. Die Heizpulse 92, 93 sind im vorliegenden Beispiel rechteckförmig, wobei auch andere Impulsformen möglich sind. Durch die Heizpulse 92, 93 wird die Membran 50 jeweils erwärmt, so dass auf der Membran 50 befindliche Flüssigkeit verdampft.
Die Heizpulse 92, 93 folgen unmittelbar aufeinander, d. h. zwischen den Heizpulsen 92 und 93 ist eine kurze Pulspause 97, die wesentlich kürzer ist als eine Heizpulsgruppenpause zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizpulsgruppen. Die Pulspause 97 ist derart kurz, dass sich keine Flüssigkeit oder zumindest nur wenig Flüssigkeit an der Membran 50 anlagern kann. Die Heizeinrichtung heizt die Membran 50 bei den Heizpulsen 92, 93, für eine Pulsdauer 99 beispielsweise durch Anlegen einer Heizspannung U_H mit einem Wert U₁ von einer ersten Temperatur T₁ auf eine zweite Temperatur T₂ auf. Die Pulsdauer 99 beträgt beispielsweise 100 ms, so dass man die Heizpulse 92, 93 auch als Heiz-Impulse bezeichnen kann.
Der erste Heizpuls 92 ist zweckmäßigerweise so bemessen, dass er ausreicht, auf der Membran 50 befindliche Flüssigkeit im Wesentlichen vollständig zu verdampfen. In Folge der Beheizung der Membran 50 mit den Heizpulsen 92, 93 misst eine Temperatursensoranordnung in 9b gezeigte erste und zweite Temperaturverläufe 100, 101 z. B. mit einer Maximaltemperatur T₂. Man kann die Temperaturverläufe 100, 101 auch als Temperaturpulse bezeichnen. Anhand der Temperaturverläufe 100, 101 kann ermittelt werden, ob der erste Heizpuls 92 ein Verdampfen der Flüssigkeit von der Membran 50 bewirkt hat. Dies ist beispielsweise bei der Darstellung in 9b der Fall, wo sich die Temperaturverläufe 100, 101 um ein vorbestimmtes Maß unterscheiden. Der zweite Temperaturverlauf 101 bildet sozusagen einen Referenz-Temperaturverlauf, an dem der erste Temperaturverlauf 100 gemessen wird. Wenn der erste Temperaturverlauf 100 einer gestrichelten Linie 104 entsprechen würde, die dem zweiten Temperaturverlauf 101 gleicht oder zumindest im Wesentlichen gleicht, wäre beim ersten Heizpuls 92 keine Flüssig keit oder nur wenig Flüssigkeit von der Membran 50 verdampft worden. Findet ein Verdampfen von Flüssigkeit statt, ermittelt die Feuchtesensorvorrichtung, dass eine Temperatur unterhalb eines Taupunkts liegt.
Ist die Membrantemperatur T₁ oberhalb der Taupunktstemperatur T_tau und liegt damit keine Betauung der Membran 50 vor, werden die von den beiden Heizimpulsen 92, 93 erzeugten und mit den Thermosäulen 54 gemessenen Temperaturverläufe 100, 101 nahezu identische sein. Somit liegt ein aus der Temperaturverlaufsdifferenz 84 resultierender Integrationswert unterhalb des für die Taupunktstemperatur T_tau definierten Integrationswertes. Ist die Membrantemperatur T₁ kleiner oder gleich der Taupunktstemperatur T_tau und liegt somit eine Betauung der Membran 50 vor, wird die auf der Membran 50 vorhandene Flüssigkeit bereits während des ersten Heizimpulses 92 komplett verdampft. Die Membran 50 ist also während des zweiten Heizimpulses 93 wieder in unbetautem Zustand. Die Messung des Temperaturverlaufs 101 während des zweiten Heizimpulses 93 kann somit als Referenzkurve dienen. Ferner werden die durch die beiden Heizimpulse 92, 93 erzeugten und mit den Thermosäulen 54 gemessenen Temperaturverläufe 100, 101 unterschiedlich sein. Somit liegt der Integrationswert oberhalb des für die Taupunktstemperatur T_tau definierten Wertes.
Bei der anhand von 9a, b beschriebenen zwei- oder mehrpulsigen Auswertung besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sich Umgebungsbedingungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizpulsen 92, 93 ändern, was zu einer Erhöhung der Messungenauigkeit führen kann. Des Weiteren vergrößert sich eine Gesamtmessdauer dadurch, dass zwei Heizimpulse ausgewertet werden müssen.
EP 768 527 A2 befasst sich mit einem Sensor zur Taupunktmessung. Der Sensor umfasst zwei Widerstandselemente R₁, R₂, die nahe einer Sensoroberfläche angeordnet sind. Das erste Widerstandselement R₁ wird über erste Anschlüsse mit einem Heizpuls gespeist, wodurch das zweite Widerstandselement R₂ aufgeheizt wird und sein Widerstand über zweite Anschlüsse gemessen wird. Im Falle keines Niederschlags ändert sich der Widerstand des messenden Widerstandselements R₂ gemäß einer vordefinierten Kurve ansprechend auf den Heizpuls. Im Falle eines Niederschlags resultiert eine Widerstandsänderung des zweiten Widerstandselements R₂ gemäß einer für den Niederschlag charakteristischen Kurve. Die beiden Kurven können verglichen werden, indem beispielsweise eine Zeitverzögerung bis zu einem jeweiligen Maximum der Kurven betrachtet wird oder, alternativ, eine maximale Widerstandsänderung erfasst wird. Falls eine Zeit zwischen den beiden Kurvenmaxima oder ein Unterschied der beiden Maximalwiderstände einen Grenzwert überschreitet, kann ein Niederschlag festgestellt werden.
Die europäische Patentanmeldung EP 733 898 A1 befasst sich mit einem Konzept zur Detektion eines Kondensationsrisikos auf einer Oberfläche, die sich in Kontakt mit feuchter Luft befindet. Generell umfasst dieses Konzept eine Heizphase, um eine Temperatur eines Sensorelements auf eine Temperatur größer als die der Oberfläche zu heizen. In einer Kühlphase wird die Temperatur des Sensorelements auf eine Temperatur unterhalb der Oberflächentemperatur abgekühlt. Die Kühlphase kann in eine erste und eine zweite Teil-Kühlphase aufgeteilt werden, wobei in der ersten Teil-Kühlphase stärker gekühlt wird als in der zweiten Teil-Kühlphase. Entsprechendes gilt für eine Heizphase. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel kann eine Niederschlagsgefahr erkannt werden, wenn sich die Periode eines Messzyklus bestehend aus Heiz- und Kühlphase vergrößert, da im Falle eines Niederschlags zusätzliche Zeit benötigt wird, um den Niederschlag zu verdampfen bzw. zu kondensieren. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Niederschlagsgefahr detektiert werden, indem ein Verhältnis der Dauer der Heizphase zu dem Temperaturzuwachs während der Heizphase und ein Verhältnis der Dauer der Kühlphase zu einem Temperaturabfall während der Kühlphase verglichen wird. Eine signifikante Differenz zwischen diesen beiden Verhältnissen weist dabei darauf hin, dass eine Kondensation auf dem Sensorelement stattgefunden hat. In der zweiten Teilkühlphase wird das Sensorelement langsamer gekühlt, so dass eine Kondensation wahrscheinlicher wird. Ein Missverhältnis der Verhältnisse, also der mittleren Temperaturgradienten, in der Heizphase und der Kühlphase kann bei Niederschlag auf dem Sensorelement dadurch detektiert werden, dass sich an die zweite (schwache) Teil-Kühlphase die erste (starke) Teil-Heizphase anschließt.
Die europäische Patentanmeldung EP 905 510 A1 beschriebene Konzept ähnelt stark dem in EP 733 898 A1 beschriebenen Konzept. Auch hier wird beschrieben, dass ein Niederschlag auf einer Oberfläche durch eine Verlängerung eines Zyklus bestehend aus Heiz- und Kühlphase detektiert werden kann. Dabei wird eine beispielhafte Dauer eines derartigen Temperaturzyklus mit sechs Sekunden oder kleiner angegeben, was zu einer relativ langen Messzeit führt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, Vorrichtungen und Verfahren zu schaffen, welche die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeiden und eine schnellere und verbesserte Niederschlagsmessung auf einer Körperoberfläche erlauben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 10 und ein Computer-Programm gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die nötigen Informationen zur Bestimmung eines Integrationswertes zur Bestimmung einer Taupunktstemperatur T_tau bereits in einem durch lediglich einen Heizpuls erzeugten Temperaturverlauf enthalten sind. Betrachtet man die abfallende Flanke eines Temperaturverlaufs bzw. eines Thermosäulensignals nach Beendigung eines Heizpulses, so lässt sich erkennen, dass die abfallende Flanke ebenfalls von der Wär mekapazität der Körperoberfläche, z. B. in Form einer Membran 50, abhängt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Vorrichtung zum Erfassen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche mit einer Einrichtung zum Bewirken einer zeitlich begrenzten Änderung einer Temperatur der Körperoberfläche von einer ersten Temperatur T₁ auf eine zweite Temperatur T₂, um einen Temperaturverlauf der Körperoberfläche mit einer steigenden und einer fallenden Flanke zu erzeugen und einer Einrichtung zum Ermitteln der Messgröße durch Vergleichen der steigenden und fallenden Flanke des Temperaturverlaufs.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zum Erfassen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche, mit einem Schritt des Bewirkens einer zeitlich begrenzten Änderung einer Temperatur der Körperoberfläche von einer ersten Temperatur T₁ auf eine zweite Temperatur T₂, um einen Temperaturverlauf der Körperoberfläche mit einer steigenden und fallenden Flanke zu erzeugen, und mit einem Schritt des Ermittelns der Messgröße durch Vergleichen der steigenden und fallenden Flanke des Temperaturverlaufs.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist die Köperoberfläche eine Membran auf. Die erste Temperatur T₁ ist gemäß Ausführungsbeispielen kleiner als die zweite Temperatur T₂.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird sichergestellt, dass selbst bei anfänglich betauter Körperoberfläche am Ende eines Heizpulses (Körperoberflächentemperatur hat noch Maximalwert) die auf der Körperoberfläche vorhandene Flüssigkeit verdampft wurde und somit die Körperoberfläche trocken ist. Damit kann die abfallende Flanke des in Folge eines Heizpulses detektierten Körperoberflächentemperaturverlaufs als Referenzsignal dienen.
Dazu sind Vorrichtungen zum Erfassen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche gemäß Ausführungsbeispielen ausgebildet, um die Temperatur der Körperoberfläche mit einem Heizpuls von der ersten Temperatur T₁ auf die zweite Temperatur T₂ zu erhöhen, wobei die Heizleistung des Heizpulses ausreicht, um den Niederschlag auf der Körperoberfläche vollständig zu verdampfen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen sind Vorrichtungen zum Erfassen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche ausgebildet, um die Temperatur der Körperoberfläche mit einem Heizpuls von der ersten Temperatur T₁ auf die zweite Temperatur T₂ zu erhöhen, wobei die Dauer des Heizpulses ausreicht, um den Niederschlag auf der Körperoberfläche vollständig zu verdampfen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Messzeit gegenüber herkömmlichen Feuchtesensoren durch die Verwendung nur eines Heizpulses deutlich verringert werden kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass sich Umgebungsbedingungen während der steigenden und fallenden Flanke des durch den einen Heizpuls hervorgerufenen Temperaturverlaufs so gut wie nicht ändern und dadurch eine Messgenauigkeit erhöht werden kann.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Erfassen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2a eine schematische Darstellung eines Verlaufs eines Heizpulses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2b einen Temperaturverlauf resultierend aus dem in 2a dargestellten Heizpuls;
3a eine weitere Darstellung eines Temperaturverlaufs einer Membrantemperatur aufgrund eines Heizpulses;
3b eine steigende und eine fallende Flanke des Temperaturverlaufs aus 3a;
3c eine Darstellung von übereinander gelegter steigender und gespiegelter fallender Flanke des Temperaturverlaufs aus 3a;
3d eine Darstellung von Integrationswerten aufgetragen über der Temperatur;
4 einen Vergleich einer herkömmlichen Zwei-Puls-Auswertung und einer Ein-Puls-Auswertung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5a eine prinzipielle Darstellung einer Membran mit Heizer und Thermosäulen;
5b eine Draufsicht auf einen Feuchte-Sensorchip;
6 eine Schnittansicht einer Anordnung mit eingebautem Feuchtesensor;
7 eine Darstellung von Temperaturverläufen und Temperaturdifferenzsignalen;
8 eine Darstellung von Integrationssignal von Temperaturdifferenz zwischen gemessenem Temperaturverlauf und Referenztemperaturverlauf aufgetragen über verschiedenen Temperaturen;
9a eine Darstellung von zwei aufeinanderfolgenden Heizpulsen; und
9b eine Darstellung von zwei aus den Heizpulsen von 9a resultierenden Temperaturverläufen.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, in den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen, untereinander austauschbar sind.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 200 zum Erfassen einer einen Niederschlag an einer Körperoberfläche beeinflussenden Messgröße gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 200 weist eine Einrichtung 210 zum Bewirken einer zeitlich begrenzten Änderung einer Körperoberfläche in Form einer Membran 50 von einer ersten Temperatur T₁ auf eine zweite Temperatur T₂, um einen Temperaturverlauf der Membran 50 mit einer steigenden und fallenden Flanke zu erzeugen. Ferner weist die Vorrichtung 200 eine Einrichtung 220 zum Ermitteln der Messgröße durch Vergleichen der steigenden und fallenden Flanke des Temperaturverlaufs auf.
An die Einrichtung 210 ist ein Heizer 54 angeschlossen, um die Membran 50 bzw. deren Oberfläche möglichst gleichmäßig bei Anliegen eines Heizsignals an der Einrichtung 210 zu erwärmen. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, ist die Membran 50 überhalb eines Kühlers, beispielsweise eines Peltierkühlers 74, angeordnet. Sowohl der Kühler 74 als auch die Einrichtung 210 sind bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit einer Steuerung 230 gekoppelt, die für die Einrichtung 210 ein Heizsignal, z. B. in Form einer Spannung oder eines Stroms, liefert, und die für den Kühler 74 ein Kühlsignal, z. B. in Form einer Spannung oder eines Stroms, liefert.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die erste Temperatur T₁ kleiner als die zweite Temperatur T₂. D. h. die erste Temperatur T₁ stehlt eine Temperatur der Membran 50 vor einem Heizpuls dar, während die zweite Temperatur T₂ eine Temperatur der Membran 50 am Ende des Heizpulses entspricht.
Die Steuerung 230 ist gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung derart ausgebildet, dass sie den Kühler 74 derart steuert, so dass die erste Temperatur T₁ unterhalb der Taupunkttemperatur T_tau eines die Membran 50 umgebenden Mediums liegt. Des Weiteren steuert die Steuerung 230 das Heizsignal für die Einrichtung 210 derart, dass ein resultierender Heizpuls die zweite Temperatur T₂ der Membran 50 überhalb den Taupunkt T_tau bewegt.
Die Einrichtung 210 ist ggf. zusammen mit der Steuerung 230 ausgebildet, um die Temperatur der Membran 50 mit einem Heizpuls von der ersten Temperatur T₁ auf die zweite Temperatur T₂ zu erhöhen, wobei die Heizleistung des Heizpulses ausreicht, um den Niederschlag auf der Membran 50 bis zum Ende des Heizpulses völlig zu verdampfen.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Einrichtung 210 ausgebildet, um die Temperatur der Membran 50 mit einem Heizpuls von der ersten Temperatur T₁ auf die zweite Temperatur T₂ zu erhöhen, wobei die Dauer des Heizpulses ausreicht, um den Niederschlag auf der Membran 50 bis zum Ende des Heizpulses völlig zu verdampfen.
Eine schematische Darstellung eines einen Heizpuls bewirkenden Heizsignals 300 ist schematisch in 2a gezeigt.
Das Heizsignal 300 ist in 2a exemplarisch als Heizspannung dargestellt. Für eine Dauer D_H wird an den Heizer 54 eine Heizspannung U_H angelegt, um eine Erwärmung von der ersten Temperatur T₁ auf die zweite Temperatur T₂ zu bewirken. Selbstverständlich könnte das Heizsignal 300 auch ein eingeprägter Heizstrom I_H sein.
Ein möglicher aus dem Heizpuls 300 resultierender Temperaturverlauf 310 ist exemplarisch in 2b dargestellt. Dabei wird vom Anfang bis zum Ende des Heizpulses 300 eine Temperatur der Membran 50 von der ersten Temperatur T₁ auf die zweite Temperatur T₂ erhöht. Danach fällt die Temperatur der Membran 50 von der zweiten Temperatur T₂ wieder auf die ursprüngliche Temperatur T₁ ab.
Bei dem in 2b gezeigten Temperaturverlauf 310 ist der Betrag der Steigung der steigenden Flanke des Temperatur verlaufs 310 deutlich geringer als der Betrag der Steigung der fallenden Flanke. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei diesem Beispiel zu Beginn des Heizpulses 300 die Membran 50 betaut ist, und somit beim Heizen der Membran 50 die zusätzliche Wärmekapazität des auf der Membran 50 befindlichen Kondensats zu einem langsameren Temperaturanstieg von der ersten Temperatur T₁ auf die zweite Temperatur T₂ führt, als dies bei einer unbetauten Membran der Fall wäre. Am Ende des Heizpulses 300, d. h. wenn der Temperaturverlauf 310 die zweite Temperatur T₂ erreicht hat, ist vorzugsweise die anfänglich auf der Membran 50 befindliche Flüssigkeit vollständig verdampft. Dadurch ist die zusätzlich vorhandene Wärmekapazität des auf der Membran 50 niedergeschlagenen Kondensats nicht mehr vorhanden, was zu einem schnelleren Temperaturabfall auf die erste Temperatur T₁ führt.
Die fallende Flanke des Temperaturverlaufs 310 nach Beendigung des Heizpulses 300 hängt also, genau wie die steigende Flanke, ebenfalls von der Wärmekapazität der Membran 50 und der Wärmekapazität des sich ggf. auf der Membran 50 befindlichen Kondensats ab. Ist sichergestellt, dass selbst bei anfänglich betauter Membran 50 am Ende eines Heizpulses 300 die auf der Membran 50 vorhandene Flüssigkeit verdampft ist und somit die Membran 50 trocken ist, kann die fallende Flanke des mit z. B. Thermosäulen 54 in Folge des Heizpulses 300 detektierten Temperaturverlaufs 310 als Referenzsignal dienen.
Die 3a bis d zeigen Darstellungen einer grafischen Oberfläche einer Einrichtung 220 zum Auswerten, welche den Temperaturverlauf 310 bzw. das Thermosäulensignal über einen A/D-Wandler (A/D = Analog/Digital) digitalisiert und weiterverarbeitet.
An dieser Stelle soll noch bemerkt werden, dass analoge Ausführungen der Einrichtung 220 zum Auswerten, d. h. analoge Signalauswerteelektroniken, ebenfalls denkbar sind.
3a zeigt einen durch einen ersten Heizpuls erzeugten ersten Temperaturverlauf 310 und einen Teil eines durch einen zweiten Heizpuls erzeugten zweiten Temperaturverlaufs 320, wobei im Folgenden lediglich der erste Temperaturverlauf 310 betrachtet werden soll.
3b zeigt im oberen Teil die ansteigende Signalflanke 330 des Temperaturverlaufs 310, wohingegen im unteren Teil die fallende Signalflanke 340 des Temperaturverlaufs 310 dargestellt ist.
Ist die Membran 50 bereits vor dem Heizpuls 300 bzw. dem Temperaturverlauf 310 trocken, d. h. befindet sich die erste Temperatur T₁ überhalb der Taupunktstemperatur T_tau, so sind steigende und fallende Signalflanken 330, 340 symmetrisch zu einer (nicht gezeigten) Achse parallel zur Zeitachse. Dieser Sachverhalt lässt sich anhand von 3b leicht erkennen. D. h. würde man in diesem Falle, d. h. T₁ > T_tau, die beiden Signalflanken an ihrer Symmetrieachse spiegeln, wären sie im Wesentlichen deckungsgleich.
Dies gilt allerdings nicht für den Fall, dass die erste Temperatur T₁ unterhalb der Taupunktstemperatur T_tau liegt, d. h. T₁ < T_tau. In diesem Fall sind die beiden Signalflanken 330, 340 des Temperaturverlaufs 310 nicht symmetrisch zueinander, wie es bereits anhand von 2b beschrieben wurde.
In 3c wurde die fallende Signalflanke 340, die gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das Referenzsignal bedeutet, mittels der Einrichtung 220 zum Auswerten derart zu einer Kurve 350 gespiegelt, dass zumindest der Anfangpunkt der Kurve 350 (gespiegelte fallende Signalflanke 340) mit dem Anfangpunkt der steigenden Signalflanke 330 übereinstimmt, so dass das Vorzeichen der Krümmung der gespiegelten fallenden Signalflanke 350 gleich dem Vorzeichen der Krümmung der steigenden Signalflanke 330 ist.
In dem in 3c dargestellten Beispiel weist das Differenzsignal 84 zwischen den beiden Signalflanken 330, 350 beträchtliche Werte auf, was auf eine erste Temperatur T₁ unterhalb der Taupunktstemperatur T_tau schließen lässt. D. h. in dem hier gezeigten Beispiel hat eine Verdampfung einer Flüssigkeit von der Membran 50 während des Heizpulses 300 stattgefunden.
Die Signalauswertung durch die Einrichtung 220 zum Auswerten kann nun durch Integration des Differenzsignals 84 erfolgen, wie es bereits anhand von 8 beschrieben wurde.
Ähnlich zur 8 ist in 3d das Integrationssignal aus dem Differenzsignal 84 über der Temperatur aufgetragen. Auch hier kann bei einer bestimmten Temperatur (hier: ca. 1,38°C) ein beträchtlicher Anstieg des Integrationssignals festgestellt werden. Für die Signalauswertung wird ein Schwellwert für das Integrationssignal definiert, der den Taupunkt T_tau und damit die Feuchte eines die Körperoberfläche bzw. die Membran 50 umgebenden Mediums als Messgröße beschreibt.
4 zeigt im oberen Teil eine Darstellung eines Integrationssignals 400 aus Differenz zwischen Messsignal und Referenzsignal, welches aus der in DE 10 2005 017 699 A1 beschriebenen Zwei-Puls-Auswertung gewonnen werden kann. Das Integrationssignal 400 ist über der Membrantemperatur bzw. der ersten Temperatur T₁ aufgetragen.
Dem ist im unteren Teil von 4 ein Integrationssignal 410 gegenübergestellt, welches mit Vorrichtungen und Verfahren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gewonnen werden kann. Das Integrationssignal 410 ist über der ersten Temperatur T₁ aufgetragen.
Es ist klar zu erkennen, dass die Integrationssignale 400, 410 stark korrelieren und man mit beiden Konzepten ähnliche Integrationssignale bzw. Ergebnisse erhalten kann. Der et was instabil erscheinende Verlauf des Integrationssignal 410 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist zumindest teilweise auf den von den Erfindern verwendeten, zum Zeitpunkt der Erfindung noch nicht ausgereiften Messaufbau zurückzuführen.
Mit Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Taupunktstemperatur T_tau ermittelt werden. Dazu weisen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eine Körperoberflache, z. B. in Form einer Membran, mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen der Membran und eine Temperatursensoranordnung zum Erfassen eines Temperaturverlaufs 310 beim Erwärmen und nachfolgendem Abkühlen der Membran auf. Anhand des erfassten Temperaturverlaufs 310 ist ein Niederschlagszustand an der Membran ermittelbar.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung einer Heizeinrichtung zu einem pulsförmigen Aufheizen der Membran mit einem Heizimpuls auf. Der Heizimpuls erzeugt einen von der Temperatursensoranordnung erfassbaren Temperaturverlauf 310. Eine Auswerte- bzw. Analyseeinrichtung dient zur Ermittlung einer Taupunktstemperatur T_tau, wobei die Analyseeinrichtung durch Vergleich des Temperaturverlaufs 330 bei der Erwärmung der Membran in Folge des Heizpulses mit dem Temperaturverlauf 340 bei nachfolgender Abkühlung der Membran der Niederschlagszustand der Membran vor dem pulsförmigen Aufheizen ermittelt.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Konzepte auch in Software implementiert sein kann. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem und/oder Mikrocontroller zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder Mikrocontroller abläuft. In anderen Worten ausgedrückt, kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.
Abschließend soll darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung oder die erläuterte Vorgehensweise beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. So sind beispielsweise auch Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung denkbar, bei denen die erste Temperatur T₁ größer ist als die zweite Temperatur T₂, so dass zuerst ein Abkühlen von der ersten Temperatur T₁ auf die zweite Temperatur T₂ und danach ein Aufheizen der Körperoberfläche von der zweiten Temperatur T₂ auf die erste Temperatur T₁ durch einen „Kühlpuls” stattfindet. Auch hier könnte die fallende Flanke des Temperaturverlaufs als Referenzsignal herangezogen und aus den beiden Flanken des Temperaturverlaufs eine Messgröße, wie z. B. eine Feuchte oder ein Taupunkt, ermittelt werden.
Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Anzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.

Claims

Vorrichtung (200) zum Bestimmen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche, mit: einer Einrichtung (210) zum Bewirken einer zeitlich begrenzten Änderung einer Temperatur der Körperoberfläche (50) von einer ersten Temperatur (T₁) auf eine zweite Temperatur (T₂) durch einen Heizpuls, um einen Temperaturverlauf (310) der Körperoberfläche mit einer steigenden Flanke (330) und einer fallenden Flanke (340) als Referenzsignal zu erzeugen, wobei der Niederschlag auf der Körperoberfläche (50) während der steigenden Flanke (330) des Temperaturverlaufs (310) vollständig verdampft wird; und einer Einrichtung (220) zum Ermitteln eines Maßes für den Niederschlag basierend auf einer Differenz der steigenden Flanke (330) des Temperaturverlaufs (310) und dem Referenzsignal (340).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Körperoberfläche eine Membran (50) umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Kühleinrichtung (74) zum Kühlen der Körperoberfläche aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Kühleinrichtung (74) ein Peltierelement umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (210) zum Bewirken der zeitlich begrenzten Änderung der Temperatur ausgebildet ist, um die Temperatur der Körperoberfläche mit dem Heizpuls (300) von der ersten Temperatur (T₁) auf die zweite Temperatur (T₂) zu erhöhen und die Heizleistung des Heizpulses (300) ausreicht, um den Niederschlag auf der Körperoberfläche vollständig zu verdampfen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (210) zum Bewirken der zeitlich begrenzten Änderung der Temperatur ausgebildet ist, um die Temperatur der Körperoberfläche mit dem Heizpuls von der ersten Temperatur (T₁) auf die zweite Temperatur (T₂) zu erhöhen und die Dauer (D_H) des Heizpulses ausreicht, um den Niederschlag auf der Körperoberfläche vollständig zu verdampfen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (220) zum Ermitteln ausgebildet ist, um die steigende oder fallende Flanke (330; 340) des Temperaturverlaufs (310) zu spiegeln und die beiden resultierenden Flanken (330; 350) so übereinander zu legen, dass ein Anfang von der nichtgespiegelten Flanke (330) und ein Anfang der gespiegelten Flanke (350) identisch sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Einrichtung (220) zum Ermitteln ausgebildet ist, um ein Differenzsignal (84) zwischen nicht-gespiegelter Flanke (330) und gespiegelter Flanke (350) zu einem Integrationssignal (410) zu integrieren.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (220) zum Ermitteln ausgebildet ist, um den Temperaturverlauf (310) zu digitalisieren.
Verfahren zum Bestimmen eines Niederschlags an einer Körperoberfläche, mit folgenden Schritten: Bewirken einer zeitlich begrenzten Änderung einer Temperatur der Körperoberfläche (50) von einer ersten Temperatur (T₁) auf eine zweite Temperatur (T₂) durch einen Heizpuls, um einen Temperaturverlauf (310) der Körperoberfläche mit einer steigenden Flanke (330) und fallenden Flanke (330; 340) als Referenzsignal zu erzeugen, wobei der Niederschlag auf der Körperoberfläche (50) während der steigenden Flanke (330) des Temperaturverlaufs (310) vollständig verdampft wird; und Ermitteln eines Maßes für den Niederschlag basierend auf einer Differenz der steigenden Flanke (330) und dem Referenzsignal (340).
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 10, wenn das Computerprogramm auf einem Computer und/oder Mikrocontroller abläuft.