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Die Erfindung betrifft ein verbessertes Feuchtigkeits- oder
Taupunktmeßinstrument.
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Es ist gut bekannt, daß eine genaue und verläßliche Messung
von Feuchtigkeit und/oder eines Taupunkts gemacht werden kann,
unter Verwendung der gut bekannten Kondensationstechnik mit
"gekühltem Spiegel". Instrumente dieses Typs, die in einer
zyklischen Weise arbeiten und daher einige Sekunden alle paar
Minuten Tau bilden, sind wahrscheinlich der beste Typ. Solche
Instrumente können einen Taupunkt und die Feuchtigkeit messen.
Solche Instrumente werden hier als zirkulierende Vorrichtungen
mit gekühlem Spiegel bezeichnet.
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Einer der Nachteile der obigen Techniken ist, daß die Zeit,
die zwischen aufeinanderfolgenden Abtastpunkten genommen wird,
in allgemeinen von mehreren Sekunden bis zu mehreren Minuten
dauert, wobei während dieser Zeit,wenn sich der Taupunkt oder
die Feuchtigkeit geändert hat, der Einsatz dieser Änderung
lediglich als der nächste Abtastpunkt erfaßt werden wird. Für
schnelle Überwachungs- und Steuerzwecke stellt dies einen
Nachteil dar.
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Feuchtigkeitssensoren anderer Arten sind erhältlich,
beispielsweise vom Aluminiumoxid-, Polymer- oder leitenden Film-
Typ. Diese benötigen eine häufige Kalibrierung und sind im
allgemeinen nicht für Langzeitverwendung geeignet. Jedoch
antworten sie auf Änderungen sehr schnell und würden ideal als
Meßelemente zu Steuerzwecken sein, wenn sie nicht eine so
schlechte Langzeitleistung aufweisen würden.
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US-A-4240284 offenbart eine Vorrichtung, verwendend einen
zirkulierenden Sensor des Typs mit gekühltem Spiegel.
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Es ist eine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, eine
Vorrichtung zu liefern, die die Vorteile der zirkulierenden
Taupunktmeßtechnik mit gekühltem Spiegel mit der
Hochgeschwindigkeitsantwort anderer Feuchtigkeitssensoren, wie Aluminiumoxid- oder
Polymersensoren, zu verbinden.
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Gemäß dieser Erfindung wird eine Feuchtigkeitsmeßvorrichtung
geliefert, umfassend einen schnellansprechenden
Feuchtigkeitssensor und einen zirkulierenden Sensor des Typs mit
gekühltem Spiegel in Kombination, zusammen mit einem Mittel,
durch das die Kalibrierung des schnellansprechenden Sensors
periodisch gegenüber dem Sensor mit gekühltem Spiegel
überprüft wird und, falls notwendig, korrigiert wird.
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Die Überprüfung und Korrektur der Kalibrierung kann
vorzugsweise mittels analoger Korrekturtechniken, beispielsweise
unter Verwendung einer analogen elektronischen Schaltung oder
unter Verwendung von digitalen Softwaretechniken, durchgeführt
werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Anschluß
beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, wobei:
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Figuren 1(a), (b) und (c) schematische Diagramme sind, die den
Betrieb einer Vorrichtung darstellen, die die Erfindung
verkörpert, enthaltend einen zirkulierenden Sensor mit gekühltem
Spiegel und einen schnelle ansprechenden Sensor,
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Figuren 2(a) und 2(b) Wellenformkurven sind, die das Auftreten
von kurzzeitigen Fehlern bei einer
Feuchtigkeitsüberwachungsvorrichtung zeigen, die nur einen zirkulierenden Sensor mit
gekühltem Spiegel verwenden, und
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Figuren 3(a) bis 3(e) typische Wellenformen des Sensors mit
gekühltem Spiegel, des schnellansprechenden Sensors und den
amalgamierten Ausgang zeigen.
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Wie oben angegeben, leiden selbst die bekannten,
zirkulierenden Vorrichtungen des Typs mit gekühltem Spiegel, auf die in
der Einleitung Bezug genommen worden ist, an den Nachteilen,
daß der Taupunkt/die Feuchtigkeit an Zeiten zwischen den
Abtastmomenten unbekannt ist, was Nachteile bei kontinuierlichen
überwachungsanwendungen mit sich bringt, obwohl die
Taupunktmeßvorrichtung mit gekühltem Spiegel eine genaue Messung des
Taupunkts/der Feuchtigkeit zu den Abtastzeitpunkten liefert,
an denen sich Tau auf dem Spiegel bildet. Die Figuren 2(a) und
2(b) sind Kurven, in denen die Zeit horizontal aufgetragen ist
und die Temperatur (der Taupunkt) vertikal aufgetragen ist.
Wie Figur 2(a) zu entnehmen ist, zeigt die gestrichelte Linie
den Taupunkt an, wie er von einem Überwachungssystem, das
solch ein Instrument in einer Situation verwendet, in der sich
der tatsächliche Taupunkt in der durch die durchgezogene Linie
angegeben Weise ändert, "wahrnimmt".
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Um die Abweichungen zwischen dem "wahrgenommenen" und dem
tatsächlichen Taupunkt, dargestellt in Figur 2(a) zu reduzieren,
können die Messungen von dem zirkulierenden Taupunktsensor mit
gekühltem Spiegel von einem Datenbearbeitungsmittel, wie einem
Mikrocomputer, bearbeitet werden. Software kann für solch ein
Bearbeitungsmittel geschrieben werden, die sich die
periodischen Messungen anschaut, die von dem zirkulierenden
Taupunktsensor mit gekühltem Spiegel gemacht werden, und
versucht, die Größe und Richtung der Änderung des Taupunkts für
die Intervalle zwischen Abtastpunkten "intelligent"
vorherzusagen. Figur 2(b) stellt die Resultate dar, die auf diese
Weise erhalten werden können, wobei die vorhergesagte Variation
in
den Bereichen zwischen Abtastzeitpunkten in gestrichelten
Linien dargestellt ist und die tatsächlichen
Taupunktvariationen über die gleiche Periode wieder in durchgezogenen Linien
dargestellt sind. Der Nachteil hier ist, daß zu irgendeinem
Zeitpunkt, wenn der Taupunkt/die Feuchtigkeit die Richtung
ändert, um sich in entgegengesetztem Sinn bezüglich der
vorhergesagten Variation zu verändern, falsche Information zu
einem Steuersystem gesendet werden kann, das das Ausgabesignal
von dem Bearbeitungsmittel empfängt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Ausgabesignal
eines schnellansprechenden Feuchtigkeitssensors zu der
gleichen Zeit überwacht, wie die Abtastungen von der Vorrichtung
mit gekühltem Spiegel, und wird verwendet, um Trends in dem
Taupunkt/der Feuchtigkeit anzugeben, was ermöglicht, den
zuletzt angegebenen Nachteil zu vermeiden oder zu minimieren.
Wie schematisch in dem Blockdiagramm von Figur 5 gezeigt, sind
der schnellansprechende Sensor 10 und der zirkulierende Sensor
mit gekühltem Spiegel (CCM-Sensor) 12 mit einem Mikroprozessor
44 über entsprechende Schnittstellen 40, 42 verbunden, wobei
der Mikroprozessor 44 an seinem Ausgang 46 ein korrigiertes
Taupunktsignal, in digitaler oder analoger Form, liefert.
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Bei dieser Ausführungsform wird geeignete Software in dem
Mikroprozessor verwendet, von der das Ausgabesignal des
schnellansprechenden Sensors 10 verwendet wird, um die Richtung der
Feuchtigkeitsveränderung zwischen Taupunktabtastpunkten zu
bestimmen, aber die tatsächlichen Werte, relativ zu denen diese
Änderungen auftauchen, als die Werte genommen werden, die von
dem Sensor 12 mit gekühltem Spiegel an den Abtastpunkten
bestimmt werden.
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Nunmehr wird sich auf die Figuren 1(a) bis 1(c) bezogen, die
eine Anordnung zeigen, in der ein schnellansprechender Sensor
(FRS) 10 auf einem Rohr oder einer Leitung 20 für normale
kontinuierliche überwachung eines Taupunkts oder einer
Feuchtigkeit angebracht ist. Ein Solenoidventil 22 ist in dem Rohr 20
stromaufwärts des Sensors 10 bereitgestellt, und ein weiteres
Solenoidventil 24 ist in dem Rohr 20 stromabwärts des Sensors
10 bereitgestellt. Die Kalibrierung des Sensors 10 könnte über
eine Zeitdauer Fehler aufweisen, wenn sie unbeaufsichtigt
bleibt. Jedoch, wie in Figur 1(a) gezeigt, umfaßt die
Vorrichtung eine zirkulierende Feuchtigkeits/Taupunktmeßvorrichtung
mit gekühlte Spiegel (CCM) 12, auf die sich im Anschluß als
der CCM-Sensor bezogen wird und die, tatsächlich, ein komplett
konventionelles Taupunkt/Feuchtigkeitsmeßinstrument mit
gekühltem Spiegel ist, enthaltend eine elektronische Schaltung,
die das periodische Abkühlen des Spiegels überwacht, eine
Taubildung, eine Temperatur, etc. mißt. Die CCM-Einrichtung 12
ist mit einer Nebenleitung 26 verbunden, die an ihrem
stromaufwärts liegenden Ende mit dem Rohr 20 an einer Stelle
zwischen dem Solenoidventil 22 und den Sensor 10 verbunden ist
und an ihrem stormabwärts liegenden Ende mit dem Rohr 20 an
einer Stelle zwischen dem Sensor 10 und dem Solenoidventil 24
verbunden ist. Ein Solenoidventil 28 ist in der Nebenleitung
26 stromaufwärts der CCM-Einrichtung 12 bereitgestellt, und
ein Solenoidventil 30 ist in der Nebenleitung 26 stromabwärts
der CCM-Einrichtung 12 bereitgestellt. Eine Pumpe 38 ist in
der Nebenleitung 26 bereitgestellt. In der dargestellten
Anordnung ist die Pumpe 38 zwischen der CCM-Einrichtung 12 und
dem Ventil 30 angeschlossen. Eine Nebenleitung 34, die
normalerweise durch ein Solenoidventil 36 verschlossen ist, erlaubt
der Vorrichtung als ganzes, umgangen zu werden. Der schnell
antwortende Feuchtigkeitssensor 10 kann, beispielsweise, von
einem Aluminiumoxid-, Polymer- oder leitenden Filmtyp sein.
Die Ventile 28 und 30 sind normalerweise verschlossen, während
die Ventile 22 und 24 normalerweise geöffnet sind.
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Im Normalbetrieb tritt ein Gas, von dem der
Feuchtigkeitsgehalt zu überwachen ist, entlang dem Rohr oder der Leitung 20
hindurch und tritt über das Ventil 22 zu dem
schnellansprechenden Sensor 10 und von dort, über das Ventil 24, wie durch
die Flußpfeile in Figur 1B angegeben, hindurch.
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Periodisch ist das Ventil 36 geöffnet, sind die Ventile 22 und
24 geschlossen und die Ventile 28 und 30 geöffnet und wird die
Pumpe 38 aktiviert. Somit wird der normale Gasfluß durch die
Leitung 20 über den Bypass 34 umgeleitet, während der
schnellansprechende Sensor 10 und der CCM-Sensor 12, in einer
geschlossenen Schleife, mit der Pumpe 38, über die Ventile 28
und 30, verbunden sind, aber von der Flußleitung 20 isoliert
sind. Durch Betreiben der Pumpe 38 wird die Flüssigkeit
innerhalb dieser geschlossenen Schleife kontinuierlich zirkuliert,
wodurch sichergestellt wird, daß der schnellansprechende
Sensor 10 und der CCM-Sensor 12 der gleichen Feuchtigkeit
ausgesetzt werden. Dies erlaubt dem Ausgabesignal, für diese Zeit,
des schnellansprechenden Sensors 10 bei einer genau bestimmten
Feuchtigkeit (bestimmt von dem CCM-Sensor 12), genau bestimmt
zu werden, zur Überprüfung der Kalibrierung des
schnellansprechenden Sensors. Am Ende davon, nämlich am Ende der
Kalibrierphase, wird die Pumpe 38 angehalten, die Ventile 28, 30
und 36 geschlossen und die Ventile 22 und 24 wieder geöffnet,
um die Vorrichtung in ihre normale Betriebsart
zurückzubringen. Die Dauer der Kalibrierphase in jedem Zyklus ist relativ
zu der Zeit kurz, für die die Vorrichtung in ihrer
Normalbedingung ist. Wenn, während der Kalibrierphase, festgestellt
worden ist, daß die Kalibrierung des schnellansprechenden
Sensors 10 sich verschoben hat, kann eine Korrektur in der
Software automatisch gemacht werden, bevor das System zu seinem
Normalbetrieb zurückkehrt. Es wird zu verstehen sein, daß die
Solenoidventile 22, 24, 28, 30 und 36 vorzugsweise von dem
Prozessor 44 gesteuert werden, um in einer geeigneten Sequenz
und Phase zu den geeigneten Intervallen zu arbeiten.
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Eine Variante dieser Anordnung könnte besonders förderlich
sein, wenn, beispielsweise, in dem Fall, in dem die normale
Meßweise für einen intrinsisch sicheren Sensor/ein intrinsisch
sicheres Instrument aufgerufen wird, der schnellansprechende
Sensor mit intrinsisch sicheren Charakteristiken an den
Betrieb in einem gefährlichen Gas angepaßt werden könnte. Jedoch
könnte ein anderes Gas, beispielsweise Luft, für eine
periodische automatische Kalibrierung, in der geschlossenen Schleife
verwendet werden, um die korrekte Kalibrierung einzustellen.
Es ist sogar nicht notwendig, eine Kalibriertung genau an dem
Taupunkt, der gemessen wird, durchzuführen, da die meisten
Vorrichtungen eine sehr vorhersehbare Charakteristik über
einen breiten Bereich an Taupunken/Feuchtigkeiten aufweisen.
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Figuren 3(a) bis 3(e) sind Kurven der Temperatur (des
Taupunkts) (vertikal aufgetragen) gegen die Zeit (horizontal
aufgetragen). Figuren 3(a) bis 3(c) sind größtenteils
selbsterklärend, mit der Unterstützung der folgenden Bemerkungen. Die
Kurve von Figur 3(a) zeigt eine Veränderung des tatsächlichen
Taupunkts hinsichtlich der Zeit, entsprechend einer Variation
in dem Feuchtigkeitsgehalt eines Gases, das durch die Leitung
20 hindurchtritt; Figur 3(b) zeigt die entsprechende
Spiegeltemperaturwellenform in einer herkömmlichen zirkulierenden
Taupunktmeßvorrichtung mit gekühltem Spiegel, wobei die
Minimaltemperaturwerte in den Mulden den Taupunkt zu der
jeweiligen Zeit anzeigen; Figur 3(c) zeigt das unbearbeitete
Ausgabesignal solch einer CCM-Apparatur; Figur 3(d) zeigt das
entsprechende mögliche Ausgabesignal eines nicht korrigierten
schnellansprechenden Sensors (in gestrichelten Linien), wobei
der tatsächliche Taupunkt in einer durchgezogenen Linie im
Vergleich dargestellt ist; und Figur 3(e) zeigt, für die
gleichen Feuchtigkeitsvariationen, das korrigierte Taupunktsignal
von dem Mikroprozessor 44 an und illustriert das dichte
Spurhalten zwischen dem tatsächlichen Taupunkt (durchgezogene
Linie) und dem über einen schnellansprechenden Sensor
korrigierten Taupunkt (gestrichelte Linie), möglich bei einer die
Erfindung verkörpernden Vorrichtung. Wie in 3(c) dargestellt,
ist das Ausgabesignal von dem CCM-Sensor, obwohl es genau an
den Abtastzeitpunkten liegt, notwendigerweise von
stufenartigem Charakter. Das Ausgabesignal des schnellansprechenden
Sensors ist im wesentlichen kontinuierlich, kann aber, wie in
Figur 3(d) gezeigt, an einer Verschiebung leiden. Die
Vorrichtung der Erfindung, wie in Figur 3 (e) dargestellt, erlaubt
ein im wesentlichen kontinuierliches Überwachen, mit einem
minimalen Drift.
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Es wird zu verstehen sein, daß die Erfindung in keiner Weise
auf das Messen der Feuchtigkeit eines Gases, das durch eine
Rohrleitung hindurchtritt, beschränkt ist. Tatsächlich ist es
gedacht, daß die breiteste Verwendung der Erfindung in der
genauen, kontinuierlichen Überwachung einer
Umgebungsfeuchtigkeit an verschiedenen Stellen liegen kann. Figur 4 illustriert
einen Sensorkopf einer Vorrichtung, verkörpernd die Erfindung,
die zum Überwachen der Umgebungsfeuchtigkeit verwendet werden
kann. Bei diesem Instrument ist der gekühlte Spiegel 52 eines
zirkulierenden Taupunktsensors mit gekühltem Spiegel an dem
Ende eines Meßfühlers oder eines anderen Halters 50
angebracht, wie die assozuerte optische Brücke (umfassend einen
Lichtemitter 54 und einen Photosensor 56) 1 bildend einen Teil
des CCM-Sensors, in einer im Stand der Technik per se
bekannten Weise. Ein schnellansprechender Feuchtigkeitssensor (FRS)
60 ist auch an dem Ende des Meßfühlers oder des Halters 50
angebracht, in der Nähe des gekühlten Spiegels 52. Der
schnellansprechende Sensor, der gekühlte Spiegel und die
optische Brücke sind in einem permeablen Gehäuse 58 enthalten, das
als ein Staubfilter agiert und die Sensoren vor mechanischer
Beschädigung schützt. Der CCM-Sensor und der
schnellansprechende Sensor arbeiten in der gleichen allgemeinen Weise, wie
mit Bezug auf die Figuren 1(a) bis 1(c) und 5 beschrieben, mit
der Ausnahme, daß, natürlich, sowohl der schnellansprechende
Sensor als auch der gekühlte Sensor kontinuierlich der zu
überwachenden Atmosphäre ausgesetzt sind. Jede
Taupunktbestimmung des CCM-Sensors wird, wie zuvor, verwendet, um die
Kalibrierung des schnellansprechenden Sensors zu überprüfen und,
falls notwendig, zu justieren.
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Die Erfindung ermöglicht, daß verschiedene Ausführungsformen
von Feuchtigkeitsmeßinstrumenten bereitgestellt werden, die
die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit eines
Hochqualitätsreferenzinstruments aufweisen und eine Antwortsgeschwindigkeit
haben, die viel schneller ist.
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Es wird zu verstehen sein, daß, obwohl, in den obigen
Ausführungen, die periodische Rekalibrierung des
schnellansprechenden Sensors beschrieben worden ist, als durch ein
Datenbearbeitungsmittel bewirkt, diese Funktion statt dessen, wenn
gewünscht, mittels analoger Korrekturtechniken, beispielsweise
unter Verwendung einer speziell gebauten
Analogrechenschaltung, durchgeführt werden, um eine entsprechende Funktion zu
liefern.