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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Taupunktmessung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein System zur Taupunktmessung.
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Der
Stand der Technik offenbart eine Mehrzahl verschiedener Verfahren
zur Taupunktmessung.
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Gemäß einem
herkömmlichen
Verfahren zur Taupunktmessung wird eine geeignete Oberfläche gekühlt, bis
sich Kondensat bildet, das Auftreten des Kondensats erfasst und
die exakte Kondensatauftrittstemperatur gemessen. Für gewöhnlich bildet
sich das Kondensat auf einer Spiegeloberfläche und wird das Auftreten
des Kondensats optisch über
die Spiegeloberfläche
erfasst. Eine derartige optische Erfassung des Kondensats kann beispielsweise
auf einer Dämpfung
des von solch einer Spiegeloberfläche reflektierten Lichts basieren.
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Andere
herkömmliche
Verfahren zur Taupunktmessung nichtoptischer Natur umfassen kapazitive
Verfahren und diejenigen, die auf der Dämpfung einer Oberflächenwelle
auf einer mit Kondensat bedeckten Oberfläche basieren (die mit Hilfe
eines SAW-Sensors gemessen wird), wobei die mit Kondensat bedeckte
Oberfläche
einen Teil einer elektronischen Messschaltung bildet.
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Aus
dem Stand der Technik sind ferner die folgenden Dokumente bekannt:
- FEHLER D.: "Vollautomatische
kontinuierliche Taupunktmessung in Verbrennungsgasen" AUTOMATISIERUNGSTECHNISCHE
PRAXIS ATP, Band 28, Nr. 8, 1986, Seiten 372–376.
- DE 34 46 277 A (Forschungsinstitut
Prof. Dr.-Ing. habil, Dr. Phil. nat. Karl Otto Lehmann, Nachf. GmbH & Cie) 19. Juni
1986.
- EP-A-0 282 900 (DRÄGERWERK
AG) 21. September 1988.
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Die
vorstehend beschriebenen Verfahren messen die Taupunkttemperatur
direkt. Die Genauigkeit des Verfahrens wird durch die Genauigkeiten
der Kondensatauftrittserfassung und der Kondensatoberflächentemperaturmessung
bestimmt.
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Diese
Verfahren werden durch eine Anzahl von Defiziten erschwert. Ihre
Messvorrichtungen sind teuer. Eine Verunreinigung der Taupunktmessoberfläche verursacht
selbst dann einen Fehler, wenn eine periodische Messung und eine
automatische Reinigung angewandt werden, um eine Verunreinigung
zu vermeiden. Trotz solcher Vorsichtsmaßnahmen schränken die
kurzen Wartungsintervalle der Vorrichtungen unter Prozessbedingungen
deren Anwendungen ein. So wird insbesondere durch eine auf der Sensoroberfläche abgelagerte
Salzschicht ein schwer zu erkennender Messfehler verursacht.
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Aufgrund
des geringen Dampfdrucks und der geringen Verdunstungsrate einer
Eis-/Wasserkondensationsschicht wird die Ansprechzeit insbesondere
bei niedrigen Taupunkttemperaturen lang (reicht bis zu einigen Minuten).
Gleichmaßen
wird die Sensorerholzeit äußerst lang,
wenn sich aufgrund einer schnellen Änderung der Umgebungsbedingungen
eine dicke Kondensatschicht bildet.
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Aus
dem Stand der Technik sind ferner Verfahren bekannt, welche den
Taupunkt nicht direkt messen, sondern über die relative Luftfeuchtigkeit
und die entsprechende Temperatur. Ein Vorteil dieser Verfahren gegenüber der
direkten Taupunkterfassung liegt in der kurzen Ansprechzeit, einer
geringeren Verunreinigung und einer Tauglichkeit zur Anwendung bei
erhöhten
Temperaturen.
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Ein
Nachteil der indirekten Messung liegt im hohen Fehler bei geringen
Luftfeuchtigkeiten und dem schädlichen
Einfluss von Chemikalien auf die Empfindlichkeit der die relative
Luftfeuchtigkeit messenden Sensoren.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile im vorstehend
beschriebenen Stand der Technik zu überwinden und eine vollkommen
neue Art von Taupunktmessverfahren bereitzustellen.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass eine Folge gepulster
elektrische Energie auf ein erstes Widerstandselement eines Sensors
mit zwei benachbarten Widerstandselementen gegeben und der Widerstand
des zweiten Widerstandselements in Abhängigkeit der Zeit gemessen
wird, um so über
die Antwort des zweiten Widerstandselement auf das Auftreten von
Kondensat schließen
zu können.
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Genauer
gesagt, das erfindungsgemäße Verfahren
ist in Anspruch 1 definiert.
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Das
erfindungsgemäße System
ist in Anspruch 4 definiert.
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Die
Erfindung bringt signifikante Vorteile hervor.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
stellt einen zuverlässigen
Sensoraufbau bereit, der mit minimalen Kosten verbunden ist. Aufgrund
der gepulsten Erwärmungsleistungszuführung ist
die aktuelle Messperiode frei von irgendwelchen die Genauigkeit
beeinträchtigen
Effekten, die für
gewöhnlich
durch die externe Energiezuführung
des Messprozesses verursacht werden. Ein zusätzlicher Vorteil des auf einer
Antwortwellenform basierenden Messschemas liegt in dessen Flexibilität: auf der
einen Seite reicht ein sehr einfacher elektronischer Schaltungsaufbau
aus, um lediglich das Kondensat zu erfassen, und auf der anderen
Seite ermöglicht
eine umfangreichere Wellenformanalyse des Messimpulses eine Überwachung
der verschiedenen Arten von Phänomenen
auf der Sensoroberfläche,
wie beispielsweise das Auftreten von Eis. Diese Art von Sensor weist
eine verhältnismäßig schnelle
Antwort, d. h. ein verhältnismäßig gutes
Ansprechverhalten auf.
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Die
Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit ihren beispielhaften
Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung näher
beschrieben. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Draufsicht eines Sensoraufbaus;
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2 einen
Abschnitt A-A des in der 1 gezeigten Sensoraufbaus;
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3 eine
graphische Darstellung typischer Kennlinien, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus
dem Messimpuls hervorgegangen sind; und
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4 ein
schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Messsystems.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Sensor 5,
der zwei aktive Widerstandselemente R1 und
R2 aufweist, die nahe der Sensoroberfläche angeordnet
sind. Einem der Elemente, in diesem Fall R1,
wird über
die Anschlüsse 1 und 2 ein
Erwärmungslistungsimpuls
zugeführt,
durch welchen das Messelement R2 erwärmt und
der Widerstand des Messelements R2 über die
Anschlüsse 3 und 4 gemessen
wird. Insbesondere wird das Material des Messelements R2 derart
gewählt,
dass die Temperaturabhängigkeit
seines Widerstands einen Höchstwert
aufweist. Um die Fertigung zu vereinfachen sind beide Widerstandselemente
normalerweise aus dem gleichen Material aufgebaut, das beispielsweise
aus der Gruppe Pt, Au, Cr, Ni und Pd gewählt wird.
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Der
Sensor 5 ist, wie in 2 gezeigt,
auf einem Substrat 6 gebildet, das für gewöhnlich aus Glas oder Silicium
aufgebaut ist. Auf das Substrat 6 ist eine Schicht 7 hoher
thermischer Leitfähigkeit,
die beispielsweise aus Aluminium besteht, abgeschieden. Auf die
Schicht 7 hoher thermischer Leitfähigkeit ist eine Isolierschicht 8 abgeschieden,
die für
gewöhnlich
aus einem geeigneten Polymer oder Siliciumnitrid (SixNy) aufgebaut ist. Auf der Isolierschicht 8 sind
Elektroden 1, 2, 3 und 4 sowie
die Widerstandselemente R1 und R2 unter Anwendung von beispielsweise Musterungsverfahren
gebildet. Die Widerstandselemente R1 und
R2 sind dicht beieinander angeordnet, um
die Wärmeübertragung
vom Widerstandselement R1 zum Messelement
R2 zu maximieren. Vorteilhafterweise sind
die Widerstandselemente R1 und R2 benachbart parallel zueinander ausgerichtet. Ferner
ist die als dielektrische Isolierschicht dienende Schicht 8 derart
gewählt,
dass sie eine maximale thermische Leitfähigkeit aufweist. Wenn es erforderlich
ist, werden die Widerstandselemente R1 und
R2 zusätzlich mit einer
geeigneten Polymerschicht 9 beschichtet, um einen mechanischen
Schutz für
die Widerstandselemente bereitzustellen. Folglich kann sich das
Kondensat 13 entweder direkt auf den Widerstandselementen R1 und R2 oder auf
der Polymerschicht 9 bilden.
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Alternativ
können
die Widerstandselemente R1 und R2 in gegenseitiger Übereinstimmung in gezackter oder
gewellter Form ausgebildet sein, wodurch die Wärmeübertragung von dem einen zum
anderen Element maximiert wird.
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Die
nachstehend aufgeführte
Tabelle zeigt Beispiele für
die Abmessungen einer Ausführungsform
des Sensors auf.
| Abmessung | Typischer
Wert | Variationsbreite |
| Dicke
der thermisch leitfähigen Schicht 7 | 0.1 μm | 0.02–1 μm |
| Dicker
der dielektrischen Schicht 8 | 0.05 μm | 0.02–0.5 μm |
| Dicke
der Widerstandselemente R1 und R2 | 1 μm | 0.1–3 μm |
| Breite
der Widerstandselemente R1 und R2 | 5 μm | 0.1–50 μm |
| Länge der
Widerstandselemente R1 und R2 | 10
mm | 2–50 mm |
| Widerstand
der Widerstandselemente R1 und R2 bei Raumtemperatur | 200
ohm | 10–2000 ohm |
| Dicke
der Polymerschicht 9 | 1 μm | 0.1–5 μm |
| Eingangsimpulsleistung
für Widerstandselement
R1 | 1
W | 0.1–10 W |
| Typische
Widerstandsänderung ΔR des Widerstandselements
R2 | 20
ohm | 5–80 ohm |
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Der
Sensor kann unter Anwendung herkömmlicher
mikromechanischen Si-Verfahren,
die eine Vakuumverdampfung und eine Maskierung umfassen, gefertigt
werden.
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Nachstehend
wird auf die 3 Bezug genommen. Dem Erwärmungswiderstandselement
R1 wird ein gepulstes Signal 10 zugeführt, das
für gewöhnlich eine
Impulsbreite von 5–100
ms und ein Impulsintervall von 1–10 s aufweist. Die Impulsspitzenleistung
kann in einem Bereich zwischen 0.1–10 mW geändert werden. Im Falle keine
Kondensation ändert
sich der Widerstand des Messwiderstandselements R2 in Übereinstimmung mit
der Kennlinie 12 im Diagramm als Antwort auf einen angelegten
thermischen Impuls 10, und entsprechend in Übereinstimmung
mit der Kennlinie 11, wenn die Oberfläche des Sensors 5 mit
Tau oder Eis bedeckt ist. Eine Analyse des Antwortsignals kann auf
der Verzögerung Δt des Antwortkennlinienmaximums 14 vom
Start des angelegten thermischen Impulses oder alternativ auf der
Differenz ΔR
des maximalen Widerstands zum stationären Widerstand des Elements
oder auf der Verzögerung
und der Differenz basieren. Als praxisnahes Beispiel ist nachstehend
eine knappe und präzise
beispielhafte Interpretation der Antwortkennlinien gegeben:
Δt überschreitet
einen vorbestimmten Wert; Kondensat vorhanden
ΔR überschreitet
einen vorbestimmten Wert; Kondensat vorhanden.
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Nachstehend
wird auf die 4 Bezug genommen. Das erfindungsgemäße Messsystem
weist eine Impulsleistungsquelle 20 auf, die dazu ausgelegt
ist, ein gepulsten Signals über
die Anschlüsse 1 und 2 des als
Erwärmungselement
dienenden Widerstandselements R1 zuzuführen. Der
Widerstand des Messwiderstandselements R2 wird
mit Hilfe einer Messschaltung 21 gemessen. Die Form des
Antwortsignals, das aus dem von der Impulsleistungsquelle 20 gelieferten
Erwärmungsimpuls
hervorgeht, wird bei Bedarf mit Hilfe einer Funktionsanalysators
gemessen. Der Analysator 22 wird mit der Impulsleistungsquelle 20 synchronisiert. In
der Praxis können
die beide Einheiten 21 und 22 funktional kombiniert
werden, indem der Widerstand des Widerstandselements R2 mit
einer geeigneten Abtastrate abgetastet und diese Messwerte anschließend mit Hilfe
digitaler Verfahren verarbeitet werden. Die Maxima der Antwort kennlinie
können
beispielsweise über
die Nullpunktübergänge der
Ableitung des gemessenen Widerstands erfasst werden.