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.The
The present invention relates to devices and methods
for detecting a precipitate on a body surface, such as for example
used in humidity sensors to determine a dew point temperature
can be.
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.humidity sensors
according to the dew point principle, psychrometers are the most precise,
but also costly and expensive devices for measuring humidity.
In these sensors, a body surface is through
Cool
brought to the dew point. On the body surface forms a precipitate
in the form of a liquid film
or of liquid drops
(Dew). The condensation is determined by various methods.
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.The publication DE 10113190 A1 describes a humidity sensor in which a cooling device cools the humidity sensor so far that moisture is deposited on a body surface in the form of a membrane. Subsequently, the membrane is heated with a heater. Due to the low heat capacity of the membrane, it is possible to analyze a heating curve or a temperature profile, which occurs during heating, and thus carry out a moisture analysis. The measured heating curve is compared, for example, with a stored reference heating curve.
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.The publication DE 10 2005 017 699 A1 describes a moisture sensor device with a control device for controlling a heating device for a pulse-shaped heating of the membrane with a first and at least a second heating pulse of a Heizpulsgruppe. The first and the at least one second heating pulse generate a first and at least one second temperature profile that can be detected by a temperature sensor arrangement. An analysis device for determining a dew point temperature determines, by comparing the first and the at least one second temperature profile, whether the first heating pulse has caused a vaporization of liquid away from the membrane. The at least one second heating pulse causes no further evaporation of liquid on the membrane, since the liquid is already completely evaporated by the first heating pulse. As a result, the second heating pulse and the second temperature profile can be regarded as a kind of reference pulse.
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.Out
the comparison of the temperature profile generated by the first heat pulse,
in which an evaporation of a condensed located on the membrane
liquid
takes place, and the at least one second reference temperature profile
can depend on the amount of liquid evaporated,
and thus closed to a humidity of the medium surrounding the membrane
become.
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.Core element of a thermal dew point sensor, for example, a silicon nitride membrane with an edge length of z. B. 600 microns and a thickness of less than 1 micron. 5a shows in plan a schematic diagram of a membrane 50 , on the circular heater 52 (eg made of polysilicon), as well as thermopiles or thermopiles 54 (eg of polysilicon and aluminum) are structured. A thermopile 54 is an electronic device that converts thermal energy into electrical energy. It is composed of thermocouples connected either in series or in parallel.
Die
in 5a gezeigte Membran 50 ist ein Teil eines
größeren Sensorchips,
dessen Chipphoto in 5b gezeigt ist.In the 5a shown membrane 50 is a part of a larger sensor chip whose chippo photo is in 5b is shown.
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.In addition to the membrane 50 , the thermopiles 54 and the heater 52 is on the chip 60 a diode 62 for measuring an absolute or chip temperature. The whole chip 60 is protected by a passivation of silicon oxide and silicon nitride.
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.Below the sensor membrane 50 a thermoelectric cooler or a Peltier element is mounted so that the membrane 50 can be cooled specifically. This is in 6 shown.
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. 6 shows one in a housing 70 arranged sensor chip 60 with a sensor membrane 50 , The sensor chip 60 with sensor membrane 50 is over a coupling chip 72 with a Peltier cooler 74 coupled. Via a flex cable 76 , the sensor chip becomes 60 provided.
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.The heater 52 on the membrane 50 is controlled by cyclic or periodic rectangular pulses of approx. 20 ms (ms = milliseconds). The repetition rates are in the range of 0.5 Hz (Hz = Hertz). Typical heating capacities are 5 to 10 mW (mW = milli watt). The occurring dynamic heating of the membrane 50 is over the thermopile 54 converted into a thermopile signal according to the temperature profile and measured. The thermopile (s) measure or measure 54 the temperature difference between the sensor membrane 50 and the massive part of the sensor chip 60 , Due to the low heat capacity of the membrane 50 Heat pulse and response signal are very similar in their time courses.
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. 7 shows a temperature profile or a thermopile signal 80 an undetached membrane (at room temperature as initial temperature). Further shows 7 a temperature profile 82 a dewy membrane. Further shows 7 a difference signal 84 from the two temperature gradients 80 . 82 ,
Unterschreitet
die Membran 50 durch Ansteuern des Peltierkühlers 74 die
Taupunktstemperatur Ttau, 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.Falls below the membrane 50 by driving the Peltier cooler 74 the dew point temperature T tau , condensate molecules (eg water molecules) from a gas (eg air) form on the sensor membrane 50 , ie there is a condensation. That on the sensor membrane 50 located condensate represents an additional heat capacity, which when operating the heater 52 to a delayed heating of the sensor membrane 50 leads, and consequently to a change in the temperature profile 82 opposite the temperature profile 80 the undetached sensor membrane 50 leads. The slope of the temperature profile 82 the dewy membrane 50 is generally lower.
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.For signal evaluation, a currently measured temperature profile (with betauter or unbetauter membrane 50 ) compared with a reference temperature curve (with unbetauter membrane). The difference can be 84 between the temperature gradients 80 . 82 to be viewed as. The difference 84 is over a predefined time range, which in 7 is shown as a hatched area, integrated. The amount of the resulting integration value provides a measure of the condensation on the membrane 50 The larger the integration value, the more condensate molecules are on the membrane 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.If one plots the integration value with a continuous cooling of the sensor membrane 50 on, it can be seen that this rises sharply when falling below a certain temperature. This situation is in 8th shown. 8th shows a dependence of the integration value of the membrane temperature, wherein the integration value with the unit [K * ms] (K = Kelvin) is plotted against the membrane temperature.
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. Ttau = 5,5°C.In 8th It can be seen that the integration value in the example shown here at a temperature, ie a temperature before the application of the heating pulse, of about 5.5 ° C increases very much. That means a measured temperature history 82 strongly from a reference temperature profile of the membrane 50 in the untenanted state deviates. By in 8th In the example shown, the dew point to be sensed is therefore approximately 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 Ttau auf
der Membran 50 kondensieren, findet der starke Anstieg
des Integrationswertes beim Unterschreiten der Taupunktstemperatur
Ttau statt. Da der Anstieg des Integrationswertes
nicht sprungförmig
stattfindet, kann die tatsächliche
Taupunktstemperatur Ttau aus dem Kurvenverlauf
nicht exakt ermittelt werden. Mit Hilfe eines Referenzsensors kann,
basierend auf experimentellen Untersuchungen, der Taupunktstemperatur
Ttau ein bestimmter Integrationswert zugeordnet
werden. Mit dieser Methode kann die Taupunktstemperatur Ttau mit dem thermischen Taupunktsensor entsprechender
Genauigkeit des verwendeten Referenzsensors bestimmt werden.Since the amount of the integration value of the amount of condensate on the membrane 50 depends on the application of the heat pulse and condensate molecules only below the dew point temperature T tau on the membrane 50 condense, the strong increase of the integration value takes place when falling below the dew point temperature T tau . Since the increase in the integration value does not take place in a jump, the actual dew point temperature T tau can not be determined exactly from the curve. With the help of a reference sensor, based on experimental investigations, the dew-point temperature T tau can be assigned a specific integration value. With this method, the dew point temperature T tau can be determined with the thermal dew point sensor corresponding accuracy of the reference sensor used.
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 Ttau signifikanten
Wert gehalten wird. Die Stellgröße der Regelung
ist der Strom zum Betrieb des Peltierkühlers 74.The thermal dew point sensor is kept constantly close to the dew point temperature during operation. The controlled variable is not the membrane temperature itself, but the integration value obtained from the signal evaluation, which value is kept at a value that is significant for the dew point T tau . The manipulated variable of the control is the power to operate the Peltier cooler 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.An optimization of the signal evaluation described above can be achieved by implementing a second heat pulse ( DE 10 2005 017 699 A1 ). A measurement of a temperature profile during a second heat pulse thereby supplies the reference signal for the measurement signal, ie the temperature profile, during the first heat pulse. This method will be briefly described below with reference to 9a , b are described.
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.A heater generates a first and a second heating pulse 92 . 93 , The heating pulses 92 . 93 are rectangular in the present example, although other pulse shapes are possible. By the heating pulses 92 . 93 becomes the membrane 50 each heated so that on the membrane 50 Liquid present evaporates.
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
UH 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.The heating pulses 92 . 93 follow each other directly, ie between the heating pulses 92 and 93 is a short pulse break 97 , which is much shorter than a Heizpulsgruppenpause between two consecutive Heizpulsgruppen. The pulse break 97 is so short that there is no liquid or at least only a small amount of liquid on the membrane 50 can attach. The heater heats the membrane 50 at the heating pulses 92 . 93 , for a pulse duration 99 for example, by applying a heating voltage U H with a value U 1 from a first temperature T 1 to a second temperature T 2 . The pulse duration 99 is, for example, 100 ms, so that one the heating pulses 92 . 93 may also be referred to as heating impulses.
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.The first heat pulse 92 is suitably sized so that it is sufficient on the membrane 50 Essentially completely evaporate liquid located. As a result of the heating of the membrane 50 with the heating pulses 92 . 93 measures a temperature sensor arrangement in 9b shown first and second temperature profiles 100 . 101 z. B. with a maximum temperature T 2 . One can the temperature ver runs 100 . 101 Also refer to as temperature pulses. Based on the temperature gradients 100 . 101 can be determined whether the first heating pulse 92 vaporizing the liquid from the membrane 50 has effected. This is for example in the illustration in 9b the case where the temperature gradients 100 . 101 to differentiate by a predetermined amount. The second temperature profile 101 forms, so to speak, a reference temperature profile at which the first temperature profile 100 is measured. When the first temperature history 100 a dashed line 104 would correspond to the second temperature profile 101 is equal to or at least substantially equal, would be at the first heat pulse 92 no liquid or little liquid from the membrane 50 been evaporated. If evaporation of liquid takes place, the moisture sensor device determines that a temperature is below a dew point.
Ist
die Membrantemperatur T1 oberhalb der Taupunktstemperatur
Ttau 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 Ttau definierten
Integrationswertes. Ist die Membrantemperatur T1 kleiner
oder gleich der Taupunktstemperatur Ttau 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 Ttau definierten Wertes.If the membrane temperature T 1 is above the dew-point temperature T tau , there is no dewing of the membrane 50 before, those of the two heating pulses 92 . 93 generated and with the thermopiles 54 measured temperature profiles 100 . 101 be almost identical. Thus, there is one from the temperature difference 84 resulting integration value below the integration value defined for the dew-point temperature T tau . If the membrane temperature T 1 is less than or equal to the dew-point temperature T tau and thus there is a condensation of the membrane 50 before, that will be on the membrane 50 existing liquid already during the first heat pulse 92 completely evaporated. The membrane 50 is so during the second heat pulse 93 again in the uncultivated state. The measurement of the temperature profile 101 during the second heat pulse 93 can thus serve as a reference curve. Furthermore, by the two heating pulses 92 . 93 generated and with the thermopiles 54 measured temperature profiles 100 . 101 be different. Thus, the integration value is above the value defined for the dew-point temperature T tau .
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.In the case of 9a , B described two or more pulse evaluation is basically the risk that environmental conditions between two successive heating pulses 92 . 93 change, which can increase the measurement inaccuracy. Furthermore, a total measuring time increases due to the fact that two heating pulses must be evaluated.
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. EP 768 527 A2 deals with a sensor for dew point measurement. The sensor comprises two resistance elements R 1 , R 2 , which are arranged near a sensor surface. The first resistance element R 1 is fed via first terminals with a heating pulse, whereby the second resistance element R 2 is heated and its resistance is measured via second terminals. In the case of no precipitation, the resistance of the measuring resistive element R 2 changes according to a predefined curve in response to the heating pulse. In the case of precipitation, a change in resistance of the second resistive element R 2 results according to a characteristic of the precipitation curve. The two curves can be compared by, for example, considering a time delay up to a respective maximum of the curves or, alternatively, detecting a maximum change in resistance. If a time between the two maximum curves or a difference between the two maximum resistances exceeds a limit, a precipitate can be detected.
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.The European patent application EP 733 898 A1 deals with a concept for detecting a risk of condensation on a surface in contact with moist air. Generally, this concept includes a heating phase to heat a temperature of a sensor element to a temperature greater than that of the surface. In a cooling phase, the temperature of the sensor element is cooled to a temperature below the surface temperature. The cooling phase can be divided into a first and a second partial cooling phase, wherein in the first partial cooling phase is cooled more than in the second partial cooling phase. The same applies to a heating phase. According to a first embodiment, a risk of precipitation can be detected when the period of a measuring cycle consisting of heating and cooling phase increases, since additional time is required in the event of precipitation in order to evaporate or condense the precipitate. According to a further embodiment, the risk of precipitation can be detected by comparing a ratio of the duration of the heating phase to the temperature increase during the heating phase and a ratio of the duration of the cooling phase to a temperature drop during the cooling phase. A significant difference between these two ratios indicates that condensation has occurred on the sensor element. In the second partial cooling phase, the sensor element is cooled more slowly, so that condensation becomes more likely. A mismatch of the ratios, ie the average temperature gradients, in the heating phase and the cooling phase can be detected in the case of precipitation on the sensor element by the fact that the second (weak) partial cooling phase is followed by the first (strong) partial heating phase.
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.The European patent application EP 905 510 A1 The concept described is very similar to that in EP 733 898 A1 described concept. Again, it is described that precipitation on a surface is best by extending one cycle Hend from heating and cooling phase can be detected. Here, an exemplary duration of such a temperature cycle is given as six seconds or less, resulting in a relatively long measurement time.
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.The
Object of the present invention is thus, devices
and to provide methods which overcome the described disadvantages of the prior art
Avoid technology and faster and improved precipitation measurement
allow on a body surface.
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren
gemäß Patentanspruch
10 und ein Computer-Programm gemäß Patentanspruch
11 gelöst.These
The object is achieved by a device according to claim 1, a method
according to claim
10 and a computer program according to claim
11 solved.
Die
Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die nötigen Informationen
zur Bestimmung eines Integrationswertes zur Bestimmung einer Taupunktstemperatur
Ttau 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.The knowledge of the present invention consists in that the necessary information for determining an integration value for determining a dew point temperature T tau is already contained in a temperature profile generated by only one heating pulse. Looking at the falling edge of a temperature profile or a thermopile signal after completion of a heating pulse, it can be seen that the falling edge is also of the heat me capacity of the body surface, for. B. in the form of a membrane 50 , depends.
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.Embodiments of the present invention provide an apparatus for detecting a precipitate on a body surface having means for effecting a timed change in body surface temperature from a first temperature T 1 to a second temperature T 2 to provide a body surface temperature history with a rising and a falling temperature to generate falling edge and means for determining the measurand by comparing the rising and falling edge of the temperature profile.
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.Further embodiments of the present invention provide a method for detecting a precipitate on a body surface, comprising a step of effecting a temporally limited change in a temperature of the body surface from a first temperature T 1 to a second temperature T 2 to a temperature profile of the body surface with a rising and falling edge, and a step of determining the measurand by comparing the rising and falling edges of the temperature profile.
Gemäß Ausführungsbeispielen
weist die Köperoberfläche eine
Membran auf. Die erste Temperatur T1 ist
gemäß Ausführungsbeispielen
kleiner als die zweite Temperatur T2.According to embodiments, the body surface has a membrane. The first temperature T 1 is smaller than the second temperature T 2 according to embodiments.
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.at
embodiments
The present invention ensures that even at
initially
betauter body surface at the end
a heating pulse (body surface temperature
still has maximum value) the liquid present on the body surface
was evaporated and thus the body surface dry
is. Thus, the falling edge of as a result of a heating pulse
detected body surface temperature history
serve as a reference signal.
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.For this purpose, devices for detecting a precipitate on a body surface according to embodiments are designed to increase the temperature of the body surface with a heating pulse from the first temperature T 1 to the second temperature T 2 , wherein the heating power of the heating pulse is sufficient to the precipitate on the body surface completely evaporate.
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.According to further embodiments, devices for detecting a precipitate on a body surface are formed in order to increase the temperature of the body surface with a heating pulse from the first temperature T 1 to the second temperature T 2 , the duration of the heating pulse being sufficient for the precipitation on the body surface completely evaporate.
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.Further
advantageous embodiments and developments are the subject
the dependent claims.
Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Messzeit
gegenüber
herkömmlichen
Feuchtesensoren durch die Verwendung nur eines Heizpulses deutlich
verringert werden kann.One
Advantage of the present invention is that the measuring time
across from
usual
Moisture sensors through the use of only one heating pulse clearly
can be reduced.
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.One
Another advantage of the present invention is to be seen in
that ambient conditions during
the rising and falling edge of the one heating pulse
caused temperature change as well as not change and
thereby increasing measurement accuracy
can be.
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:preferred
embodiments
The present invention will be described below with reference to FIG
the enclosed drawings closer
explained.
Show it:
1 eine
schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zum Erfassen eines
Niederschlags an einer Körperoberfläche gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic plan view of an apparatus for detecting a precipitate on a body surface according to an embodiment of the present invention;
2a eine
schematische Darstellung eines Verlaufs eines Heizpulses gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; 2a a schematic representation of a course of a heating pulse according to an embodiment of the present invention;
2b einen
Temperaturverlauf resultierend aus dem in 2a dargestellten
Heizpuls; 2 B a temperature profile resulting from the in 2a shown heating pulse;
3a eine
weitere Darstellung eines Temperaturverlaufs einer Membrantemperatur
aufgrund eines Heizpulses; 3a a further illustration of a temperature profile of a membrane temperature due to a heating pulse;
3b eine
steigende und eine fallende Flanke des Temperaturverlaufs aus 3a; 3b a rising and a falling edge of the temperature profile 3a ;
3c eine
Darstellung von übereinander gelegter
steigender und gespiegelter fallender Flanke des Temperaturverlaufs
aus 3a; 3c a representation of superimposed rising and mirrored falling edge of the temperature profile 3a ;
3d eine
Darstellung von Integrationswerten aufgetragen über der Temperatur; 3d a plot of integration values plotted against temperature;
4 einen
Vergleich einer herkömmlichen Zwei-Puls-Auswertung und einer
Ein-Puls-Auswertung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung; 4 a comparison of a conventional two-pulse evaluation and a one-pulse evaluation according to an embodiment of the present invention;
5a eine
prinzipielle Darstellung einer Membran mit Heizer und Thermosäulen; 5a a schematic representation of a membrane with heaters and thermopiles;
5b eine
Draufsicht auf einen Feuchte-Sensorchip; 5b a plan view of a humidity sensor chip;
6 eine
Schnittansicht einer Anordnung mit eingebautem Feuchtesensor; 6 a sectional view of an arrangement with built-in humidity sensor;
7 eine
Darstellung von Temperaturverläufen
und Temperaturdifferenzsignalen; 7 a representation of temperature curves and temperature difference signals;
8 eine
Darstellung von Integrationssignal von Temperaturdifferenz zwischen
gemessenem Temperaturverlauf und Referenztemperaturverlauf aufgetragen über verschiedenen
Temperaturen; 8th a representation of integration signal of temperature difference between measured temperature profile and reference temperature profile plotted over different temperatures;
9a eine
Darstellung von zwei aufeinanderfolgenden Heizpulsen; und 9a a representation of two successive heating pulses; and
9b eine
Darstellung von zwei aus den Heizpulsen von 9a resultierenden
Temperaturverläufen. 9b a representation of two from the heating pulses of 9a resulting temperature gradients.
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.Regarding the
following description should be noted that in the
different embodiments
the same or equivalent functional elements have the same reference numerals
and thus the descriptions of these functional elements in the different,
in the embodiments illustrated below, with each other
are interchangeable.
1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 200 zum
Erfassen einer einen Niederschlag an einer Körperoberfläche beeinflussenden Messgröße gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. 1 shows a schematic representation of a device 200 for detecting a measurand influencing a precipitate on a body surface according to an embodiment of the present invention.
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.The device 200 has a facility 210 for effecting a temporally limited change of a body surface in the form of a membrane 50 from a first temperature T 1 to a second temperature T 2 , to a temperature profile of the membrane 50 to generate with a rising and falling edge. Furthermore, the device 200 An institution 220 for determining the measured variable by comparing the rising and falling edge of the temperature profile.
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.To the device 210 is a heater 54 connected to the membrane 50 or their surface as evenly as possible when applying a heating signal to the device 210 to warm up. As already described above, the membrane is 50 above a cooler, for example a Peltier cooler 74 arranged. Both the cooler 74 as well as the decor 210 are in embodiments of the present invention with a controller 230 coupled to the device 210 a heating signal, z. In the form of a voltage or current, and that for the radiator 74 a cooling signal, z. In the form of a voltage or current.
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.According to embodiments, the first temperature T 1 is smaller than the second temperature T 2 . Ie. the first temperature T 1 steals a temperature of the membrane 50 before a heating pulse while the second temperature T 2 is a temperature of the membrane 50 at the end of the heating pulse corresponds.
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 Ttau 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 Ttau bewegt.The control 230 According to embodiments of the present invention is designed such that it the radiator 74 so controls, so that the first temperature T 1 below the dew point temperature T tau of the membrane 50 surrounding medium lies. Furthermore, the controller controls 230 the heating signal for the device 210 such that a resulting heating pulse the second temperature T 2 of the membrane 50 moved above the dew point T tau .
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.The device 210 is possibly together with the controller 230 trained to the temperature of the membrane 50 to increase with a heat pulse from the first temperature T 1 to the second temperature T 2 , wherein the heating power of the heating pulse is sufficient to the precipitate on the membrane 50 to evaporate completely until the end of the heating pulse.
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.According to further embodiments, the device 210 trained to the temperature of the membrane 50 to increase with a heating pulse from the first temperature T 1 to the second temperature T 2 , wherein the duration of the heating pulse is sufficient to the precipitate on the membrane 50 to evaporate completely until the end of the heating pulse.
Eine
schematische Darstellung eines einen Heizpuls bewirkenden Heizsignals 300 ist
schematisch in 2a gezeigt.A schematic representation of a Heating pulse causing heating signal 300 is schematic in 2a shown.
Das
Heizsignal 300 ist in 2a exemplarisch
als Heizspannung dargestellt. Für
eine Dauer DH wird an den Heizer 54 eine
Heizspannung UH 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 IH sein.The heating signal 300 is in 2a exemplified as heating voltage. For a duration D H is to the heater 54 a heating voltage U H is applied to cause heating from the first temperature T 1 to the second temperature T 2 . Of course, the heating signal could 300 also be an impressed heating current I H.
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.A possible from the heating pulse 300 resulting temperature profile 310 is exemplary in 2 B shown. It is from the beginning to the end of the heating pulse 300 a temperature of the membrane 50 increased from the first temperature T 1 to the second temperature T 2 . Thereafter, the temperature of the membrane drops 50 from the second temperature T 2 back to the original temperature T 1 .
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.At the in 2 B shown temperature profile 310 is the amount of the slope of the rising edge of the temperature course 310 significantly less than the amount of slope of the falling edge. This is due to the fact that in this example at the beginning of the heating pulse 300 the membrane 50 is dew, and thus when heating the membrane 50 the extra heat capacity of the on the membrane 50 condensate to a slower temperature rise from the first temperature T 1 to the second temperature T 2 leads, as would be the case with an unexploded membrane. At the end of the heating pulse 300 ie when the temperature history 310 the second temperature T 2 has reached, is preferably initially on the membrane 50 located liquid completely evaporated. As a result, the additional heat capacity of the on the membrane 50 depleted condensate is no longer present, resulting in a faster temperature drop to the first temperature T 1 .
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.The falling edge of the temperature profile 310 after completion of the heating pulse 300 Like the rising flank, it also depends on the heat capacity of the membrane 50 and the heat capacity of possibly on the membrane 50 located condensate. Ensures that even with initially betauter membrane 50 at the end of a heating pulse 300 the on the membrane 50 existing liquid has evaporated and thus the membrane 50 is dry, the falling edge of the z. B. thermopiles 54 as a result of the heating pulse 300 detected temperature profile 310 serve as a reference signal.
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.The 3a to d show representations of a graphical interface of a device 220 to evaluate which the temperature profile 310 or the thermopile signal via an A / D converter (A / D = analog / digital) digitized and further processed.
An
dieser Stelle soll noch bemerkt werden, dass analoge Ausführungen
der Einrichtung 220 zum Auswerten, d. h. analoge Signalauswerteelektroniken,
ebenfalls denkbar sind.At this point it should be noted that analogous versions of the device 220 for evaluation, ie analog signal evaluation electronics, are also conceivable.
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. 3a shows a first temperature profile generated by a first heating pulse 310 and a portion of a second temperature profile generated by a second heating pulse 320 , wherein in the following only the first temperature profile 310 should be considered.
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. 3b shows in the upper part of the rising signal edge 330 the temperature profile 310 whereas in the lower part the falling signal edge 340 the temperature profile 310 is shown.
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
Ttau, 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 > Ttau,
die beiden Signalflanken an ihrer Symmetrieachse spiegeln, wären sie
im Wesentlichen deckungsgleich.Is the membrane 50 already before the heating pulse 300 or the temperature profile 310 Dry, that is, the first temperature T 1 is above the dew point temperature T tau , so are rising and falling signal edges 330 . 340 symmetric to an axis (not shown) parallel to the time axis. This situation can be determined by 3b easy to recognize. Ie. If, in this case, ie T 1 > T tau , one would mirror the two signal edges on their symmetry axis, they would essentially be congruent.
Dies
gilt allerdings nicht für
den Fall, dass die erste Temperatur T1 unterhalb
der Taupunktstemperatur Ttau liegt, d. h.
T1 < Ttau. In diesem Fall sind die beiden Signalflanken 330, 340 des
Temperaturverlaufs 310 nicht symmetrisch zueinander, wie
es bereits anhand von 2b beschrieben wurde.However, this does not apply to the case where the first temperature T 1 is below the dew point temperature T tau , ie T 1 <T tau . In this case, the two signal edges 330 . 340 the temperature profile 310 not symmetrical to each other, as already stated by 2 B has been described.
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 3c became the falling signal edge 340 according to embodiments of the present invention means the reference signal by means of the device 220 for evaluating such a curve 350 mirrored that at least the starting point of the curve 350 (mirrored falling signal edge 340 ) with the starting point of the rising signal edge 330 matches, so that the sign of the curvature of the mirrored falling signal edge 350 equal to the sign of the curvature of the rising signal edge 330 is.
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 Ttau schließen lässt. D.
h. in dem hier gezeigten Beispiel hat eine Verdampfung einer Flüssigkeit
von der Membran 50 während
des Heizpulses 300 stattgefunden.In the in 3c Example shown has the difference signal 84 between the two signal edges 330 . 350 considerable values, which suggests a first temperature T 1 below the dew point temperature T tau . Ie. in the example shown here has an evaporation of a liquid from the membrane 50 during the heating pulse 300 occurred.
Die
Signalauswertung durch die Einrichtung 220 zum Auswerten
kann nun durch Integration des Differenzsignals 84 erfolgen,
wie es bereits anhand von 8 beschrieben
wurde.The signal evaluation by the device 220 to evaluate can now by integration of the difference signal 84 as already stated by 8th has been described.
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 Ttau und
damit die Feuchte eines die Körperoberfläche bzw.
die Membran 50 umgebenden Mediums als Messgröße beschreibt.Similar to 8th is in 3d the integration signal from the difference signal 84 applied over the temperature. Again, at a certain temperature (here: about 1.38 ° C), a significant increase in the integration signal can be detected. For the signal evaluation, a threshold value for the integration signal is defined, the dew point T tau and thus the humidity of the body surface or the membrane 50 describes surrounding medium as a measurand.
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. 4 shows in the upper part a representation of an integration signal 400 from difference between measuring signal and reference signal, which consists of the in DE 10 2005 017 699 A1 described two-pulse evaluation can be obtained. The integration signal 400 is plotted against the membrane temperature or the first temperature T 1 .
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.This is in the lower part of 4 an integration signal 410 which can be obtained with devices and methods according to embodiments of the present invention. The integration signal 410 is plotted above the first temperature T 1 .
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.It is clear that the integration signals 400 . 410 strongly correlated and one can obtain similar integration signals or results with both concepts. The et unstable course of the integration signal 410 According to embodiments of the present invention is at least partially due to the used by the inventors, at the time of the invention not yet mature measurement setup.
Mit
Vorrichtungen gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Taupunktstemperatur
Ttau 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.With devices according to embodiments of the present invention, for example, a dew point temperature T tau can be determined. For this purpose, embodiments of the present invention have a body surface, e.g. Example in the form of a membrane, with a heater for heating the membrane and a temperature sensor arrangement for detecting a temperature profile 310 upon heating and subsequent cooling of the membrane. Based on the recorded temperature profile 310 a precipitation state on the membrane can be determined.
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
Ttau, 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.Embodiments of the present invention have a control device for driving a heating device to a pulse-shaped heating of the membrane with a heating pulse. The heating pulse generates a temperature profile that can be detected by the temperature sensor arrangement 310 , An evaluation or analysis device is used to determine a dew point temperature T tau , wherein the analysis device by comparing the temperature profile 330 in the heating of the membrane as a result of the heating pulse with the temperature profile 340 on subsequent cooling of the membrane, the precipitation state of the membrane is determined before pulsed heating.
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.Especially
It is noted that depending on the circumstances
the inventive concepts
can also be implemented in software. The implementation can
on a digital storage medium, in particular a floppy disk
or a CD with electronically readable control signals,
so with a programmable computer system and / or microcontroller
can work together
that the corresponding procedure is carried out. Generally there is the
Invention thus also in a computer program product on a
machine-readable carrier
stored program code for carrying out the method according to the invention,
when the computer program product runs on a computer and / or microcontroller. In
in other words,
Thus, the invention can be considered as a computer program with a program code
to carry out
of the procedure can be realized when the computer program on a
Computer and / or microcontroller expires.
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.Finally, it should be pointed out that the present invention is not limited to the respective components of the device or the explained procedure, since these components and methods may vary. For example, embodiments of the present invention are conceivable in which the first temperature T 1 is greater than the second temperature T 2 , so that first cooling from the first temperature T 1 to the second temperature T 2 and then heating the body surface of the second temperature T 2 to the first temperature T 1 by a "cooling pulse" takes place. Again, the falling edge of the temperature profile could be used as a reference signal and from the two edges of the temperature profile, a measured variable, such. As a humidity or a dew point can be determined.
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.The
Terms used herein are intended only for particular embodiments
to describe and are not used restrictively. If in the
Description and in the claims
The number or indefinite articles used refer to
this also applies to the majority of these elements, as long as the overall context
clearly makes something else clear. The same is true in reverse
Direction.
