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Dokumentenidentifikation DE202005013613U1 15.12.2005
Titel Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors sowie Sensoranordnung mit einem kalibrierbaren Feuchtesensor
Anmelder Testo AG, 79853 Lenzkirch, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Aktenzeichen 202005013613
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 15.12.2005
Registration date 10.11.2005
Application date from patent application 29.08.2005
IPC-Hauptklasse G01N 19/10
IPC-Nebenklasse G01N 37/00   

Beschreibung[de]

Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors sowie Sensoranordnung mit einem kalibrierbaren Feuchtesensor Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors mit einer Messkammer, die einen ersten Gasanschluss zur Verbindung mit einer druckbeaufschlagbaren Anlage und einen zweiten Gasanschluss zur Verbindung mit einem weiteren Gasraum aufweist.

Mit Hilfe von Feuchtesensoren wird in offenen oder geschlossenen Gasvolumina die relative Feuchte gemessen, das heißt die Menge an Feuchtigkeit, die in dem jeweiligen Gas gelöst ist relativ zu der maximal bei der gegebenen Temperatur in dem Gas lösbaren Feuchtigkeitsmenge.

Solche Messungen sind beispielsweise dem Durchschnittsverbraucher als Messungen der relativen Luftfeuchtigkeit zur Bestimmung der klimatischen Bedingungen geläufig, sie sind jedoch auch im industriellen Umfeld beispielsweise bei der Bestimmung der relativen Luftfeuchte in Druckgasbehältern üblich. Feuchtesensoren werden oft durch physikalische und chemische Einflüsse stark belastet und können dadurch ihre Ansprechcharakteristik gegenüber einer anfänglichen Kalibrierung signifikant verändern. Daher ist in gewissen Abständen eine Nachkalibrierung notwendig.

Aus dem Stand der Technik (DE 3936138 A1, US 6073480) ist eine Kalibrierung eines Feuchtesensors dadurch bekannt, daß eine erste Feuchtemessung bei einer ersten Temperatur und danach bei einer zweiten Temperatur eine zweite Feuchtemessung durchgeführt wird, wobei der Gasdruck bei beiden Messungen gleichbleibt. Durch die gemessenen Temperatur- und Feuchtigkeitswerte ist eine Berechnung eines Korrekturwertes für die Feuchtemessung möglich, da der mathematische Zusammenhang zwischen Temperatur und tatsächlicher relativer Feuchte bekannt ist.

Es ist jedoch zur Anwendung dieser Technik notwendig, einerseits Temperatursensoren im Bereich der Feuchtsensoren anzuordnen, und andererseits Heiz- oder Kühlelemente vorzusehen. Außerdem erfordert eine derartige Kalibrierung Zeit zur Einstellung der jeweiligen Meßtemperaturen.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors und eine Sensoranordnung mit einem kalibrierbaren Feuchtsensor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Kalibriervorgang vereinfacht ist und möglichst geringe Hilfsmittel zu seiner Durchführung benötigt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der erste Gasanschluss und/oder der zweite Gasanschluss einen Strömungswiderstand aufweist, der auf zwei verschiedene feste Werte einstellbar ist. Aus dem Stand der Technik (DE 102 036 37 B4)ist ein Kalibrierverfahren bekannt, bei dem bei einem ersten Druck P1 und bei einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen Druck P2 und bei sonst gleichen Bedingungen jeweils ein Feuchtewert U1, U2 erfaßt wird, wobei zumindest das Verhältnis des ersten Druckwertes P1 und des zweiten Druckwertes P2 bekannt ist und daß der Korrekturwert für den Feuchtesensor aus dem Verhältnis der Druckwerte und den gemessenen Feuchtigkeitswerten bestimmt wird.

Gemäß dem Stand der Technik werden die verschiedenen Druckwerte gemessen und den ebenfalls gemessenen Feuchtewerten zugeordnet. Hierzu sind Drucksensoren notwendig und ein Kalibriervorgang erfordert die Erfassung der entsprechenden Messwerte und die Weiterverarbeitung. Gemäß der Erfindung reduziert sich dieser Aufwand dadurch, dass durch die Auswahl bei der Einstellung der Strömungswiderstände das Verhältnis der Drücke in der Messkammer der beiden Messungen bereits feststeht und bekannt und abgespeichert ist. Lediglich die Feuchtewerte werden gemessen und fließen als Variable in die Berechnung des Korrekturwertes ein.

Wird der Feuchtewert bei zwei unterschiedlichen Drücken gemessen, wobei die Temperatur und andere Umgebungsbedingungen konstant gehalten werden und wobei auch die gleiche Feuchtigkeitsmenge absolut in dem Gas gelöst bleibt, so ändert sich der Wert der relativen Feuchte zwischen den beiden Messungen. Aus dem Verhältnis der beiden Druckwerte kann auf das Verhältnis der beiden real vorliegenden Feuchtigkeitswerte der relativen Gasfeuchtigkeit geschlossen werden. Stimmen die Verhältnisse der Drücke und der gemessenen relativen Gasfeuchten nicht überein, so kann aus der Abweichung der Korrekturwert bestimmt werden, der bei der jeweiligen Feuchtemessung anzusetzen ist. Dieser Korrekturwert ist dann von dem gemessenen Wert der relativen Feuchte abzuziehen oder zu diesem zu addieren.

Die Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors sieht demgemäß eine Messkammer mit Gasanschlüssen gemäß der Erfindung vor, durch die bei Einstellung zweier verschiedener Strömungswiderstände im ersten oder zweiten Gasanschluss durch das jeweilige Druckgefälle in der Messkammer zwei unterschiedliche Gasdruckwerte eingestellt werden können, deren Verhältnis bekannt und reproduzierbar ist. Außerdem ist eine Eingabeeinrichtung vorgesehen, über die der Kalibriervorrichtung die gemessenen Feuchtewerte des Feuchtesensors zugeführt werden können. Eine Recheneinrichtung der Kalibriervorrichtung bestimmt dann aus den gemessenen Daten den Korrekturwert und gibt diesen aus.

Vorteilhaft wird das Verfahren zur Kalibrierung derart durchgeführt, daß der von einem gemessenen Feuchtewert zu subtrahierende Korrekturfaktor k bestimmt wird nach der Gleichung: k = ((P1/P2) · U2 – U2)/(P1/P2 – 1).

Idealerweise gilt bei einem Gas gleichbleibender Konsistenz und konstanter Temperatur, daß das Verhältnis der beiden Druckwerte, bei denen gemessen wird, dem Verhältnis der tatsächlich vorliegenden relativen Luftfeuchten entspricht: P1/P2 = U1 (real)/U2 (real).

Da die gemessenen Feuchtewerte U1, U2 mit den realen Feuchtewerten vor der Kalibrierung nicht übereinstimmen, berechnet sich der reale Feuchtewert U1 (real) = U1 – k sowie U2 (real) = U2 – k.

Es ergibt sich die Gleichung: P1/P2 = (U1 – k)/(U2 – k).

Diese Gleichung nach k aufgelöst ergibt: k = ((P1/P2) · U2 – U1)/(P1/P2 – 1).

Dies gilt unter der Annahme, daß k unabhängig vom Wert von U ist. Durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren läßt sich somit der Feuchtesensor unter Verwendung eines Drucksensors kalibrieren, ohne daß die tatsächlich vorliegende Feuchte direkt bestimmt wird. Es ist lediglich notwendig, ein definiertes bekanntes Druckverhältnis von zwei Druckwerten einzustellen, wobei bei jedem einzelnen der Druckwerte eine Feuchtemessung durchgeführt wird.

Auf praktische Weise wird das Verfahren zur Kalibrierung eines Feuchtesensors in einer druckbeaufschlagbaren gasgefüllten Anlage vorteilhaft derart durchgeführt, daß mittels eines an der Anlage vorgesehenen Ventils Gas abgelassen oder zugeführt wird, und daß Druckwerte und Feuchtewerte vor und nach dem Ablassen / Zuführen von Gas registriert werden, wobei jeweils vor der Feuchtemessung ein Temperaturausgleich abgewartet wird.

An druckbeaufschlagbaren gasgefüllten Anlagen sind typischerweise Ventile zum Befüllen mit Gas oder zum Ablassen von Gas ohnehin vorgesehen. Über ein derartiges Ventil kann entweder Gas abgelassen oder zugeführt werden, wobei abgelassenes Gas in einem externen Drucktank gespeichert werden kann. Vor- und nach dem Ablassen beziehungsweise Zuführen von Gas werden jeweils Feuchtemessungen durchgeführt, wobei nach dem Ablassen oder Zuführen von Gas ein Temperaturausgleich abgewartet werden muß, da beide Feuchtemessungen bei derselben Temperatur stattfinden müssen und da durch die Entspannung des Gases beziehungsweise durch die Druckerhöhung eine Temperaturerniedrigung beziehungsweise -erhöhung zu erwarten ist.

Zur Kalibrierung des Feuchtesensors kann dieser in einer an die Anlage angeschlossenen Messkammer betrieben werden, so daß die unterschiedlichen Druckwerte nicht eine Druckänderung in der gesamten Anlage erfordern, sondern nur der Gasdruck in dem Teilvolumen eingestellt werden muß, in dem der Feuchtesensor angeordnet ist. Somit kann die Kalibrierung ohne größere Änderungen oder Installationen an der druckbeaufschlagbaren gasgefüllten Anlage von Servicepersonal einfach, zuverlässig und schnell durchgeführt werden.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Sensoranordnung mit einem kalibrierbaren Feuchtesensor und mit einer Korrektur-einrichtung mit einem Speicher, in dem ein von dem gemessenen Feuchtewert zu subtrahierender Korrekturwert speicherbar ist, wobei die Korrektureinrichtung von dem erfaßten Meßwert der Feuchte den Korrekturwert subtrahiert und insbesondere das Ergebnis einer Anzeigeeinrichtung zuleitet.

Die Sensoranordnung weist somit eine Korrektureinrichtung auf, durch die nach einer Kalibrierung der von dem Feuchtesensor erfaßte Feuchtewert mittels des Korrekturwertes korrigiert wird, so daß der tatsächlich vorliegende Feuchtewert als korrigierter Meßwert zum Ablesen oder zur Weiterverarbeitung, beispielsweise in einer Meßwarte zur Verfügung steht.

Gemäß der Erfindung kann der Strömungswiderstand des ersten und/oder zweiten Gasanschlusses dadurch geändert werden, dass er einen ersten Kanal mit einem ersten Strömungswiderstand aufweist sowie einen zweiten Kanal, der parallel zu dem ersten Kanal verläuft und mit einer Sperrvorrichtung verschließbar ist. Im geöffneten Zustand der Sperrvorrichtung überbrückt der zweite Kanal den ersten Kanal, so dass der gesamte Strömungswiderstand des jeweiligen Gasanschlusses wesentlich verringert wird. Auf diese Weise lassen sich durch Schließen und Öffnen der Sperrvorrichtung sehr unterschiedliche Strömungswiderstände des ersten und/oder zweiten Gasanschlusses realisieren.

Vorteilhaft ist der Strömungswiderstand, der an dem zweiten Gasanschluss auftritt, größer als der Strömungswiderstand, der in dem zweiten Kanal des ersten Gasanschlusses vorgesehen ist. In diesem Fall kann sich in der Messkammer bei Öffnung des zweiten Einströmkanals ein erhöhter Druck aufbauen, der zwischen dem sekundärseitigen Druck des zweiten Gasanschlusses und dem Druck der druckbeaufschlagbaren Anlage liegt.

Dabei kann das Verhältnis des Strömungswiderstandes am zweiten Gasanschluss zu dem Strömungswiderstand des zweiten Kanals des ersten Gasanschlusses größer als 10 zu 1 sein.

Wenn der Strömungswiderstand am zweiten Gasanschluss kleiner ist als der Strömungswiderstand des ersten Kanals des ersten Gasanschlusses, dabei jedoch wesentlich größer als der Strömungswiderstand des zweiten Kanals des ersten Gasanschlusses ist, dann lässt sich ein besonders großes Druckverhältnis der beiden jeweils bei geöffnetem oder gesperrtem zweiten Einströmkanal realisierbaren Druckwerte realisieren.

Ist der Strömungswiderstand des zweiten Gasanschlusses größer als der Strömungswiderstand des ersten Gasanschlusses, dann wird erreicht, dass die Strömungsverhältnisse relativ unabhängig von dem sekundärseitig an dem zweiten Gasanschluss wirkenden Außendruck sind, da sich in jedem Fall ein Überdruck in der Messkammer aufbaut, der wesentlich höher ist als der Außendruck.

Besonders einfach ist an dem ersten oder zweiten Gasanschluss der zweite Kanal durch ein Gasrohr realisierbar, das den ersten Kanal überbrückt und mittels eines Kugelhahns sperrbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beispielhaft gezeigt und nachfolgend erläutert.

Dabei zeigt

1 in einer schematischen Darstellung einen Feuchtesensor sowie eine Vorrichtung zu seiner Kalibrierung,

2 schematisch die Funktion der Recheneinrichtung zur Ermittlung des Korrekturwertes,

3 ein Ablaufdiagramm des Kalibriervorgangs,

4 eine Messkammer mit Gasanschlüssen in detaillierter Darstellung.

1 zeigt zunächst einen Feuchtesensor 1 in einer gasdichten Meßkammer 2. Die Meßkammer 2 weist einen ersten Gasanschluß 3 und einen zweiten Gasanschluß 4 auf, mittels deren die Meßkammer mit einer gasgefüllten druckbeaufschlagbaren Anlage 5 einerseits und mit einem weiteren Gasraum, wahlweise mittels eines Druckschlauchs 6 andererseits verbunden werden kann.

Um beispielsweise die Gasfeuchte in der druckbeaufschlagbaren Anlage 5 zu messen und gleichzeitig den Feuchtesensor 1 zu kalibrieren, wird zunächst die Meßkammer 2 über den ersten Gasanschluß 3 mit der druckbeaufschlagbaren Anlage 5 verbunden, so dass Gas durch einen ersten Kanal 3a einströmen kann, welches durch den zweiten Gasanschluss 4 wieder aus der Messkammer ausströmt. Bei dem sich durch das Verhältnis der Strömungswiderstände einstellenden ersten Druckwert wird der erste Feuchtewert bestimmt. Danach wird der Strömungswiderstand des ersten Gasanschlusses auf einen zweiten Wert geändert, dadurch dass ein Kugelhahn in einem zweiten Kanal 3b geöffnet wird. Es stellt sich dadurch ein zweiter Druckwert in der Messkammer ein, bei dem der zweite Feuchtewert gemessen wird. Beim Kalibriervorgang wird die Korrektureinrichtung 8 vorübergehend überbrückt.

Die verschiedenen Druckwerte können auch dadurch einstellbar sein, dass der Strömungswiderstand des zweiten Gasanschlusses definiert veränderbar ist.

Aus dem bekannten Verhältnis der Druckwerte sowie den beiden gemessenen und unkorrigierten Feuchtemeßwerten kann dann ein Korrekturwert ermittelt werden, der in dem Speicher 10 abgelegt wird. Bei folgenden Feuchtemessungen wird dann innerhalb der Korrektureinrichtung 8 der im Speicher abgelegte Korrekturwert von dem durch den Feuchtesensor 1 gemessenen Feuchtewert in einer Subtraktionseinheit 11 abgezogen und ein korrigierter Messwert mittels einer Anzeige 17 ausgegeben.

In der 2 sind schematisch die Erfassungs- und Rechenschritte bei einem Kalibriervorgang dargestellt. Mittels des Feuchtesensors 1 wird in einem ersten Schritt der Feuchtewert U1 erfasst und in einem ersten Datenspeicher 12 hinterlegt.

In einem zweiten Schritt wird dann bei dem zweiten Druckwert und ansonsten gleichen Umgebungsbedingungen ein zweiter Feuchtewert U2 gemessen und gespeichert.

Das Verhältnis P1/P2 ist vorberechnet und in einem Datenspeicher 14 hinterlegt. In einer Rechen-einrichtung 15 wird dann mittels eines Mikroprozessors k nach der oben angegebenen Formel berechnet und an eine Ausgabeeinrichtung 16 weitergegeben, die den Korrekturwert beispielsweise an die Korrektureinrichtung 8 weitergibt, wo dieser im Speicher 10 gespeichert wird.

In der 3 ist der Kalibriervorgang nochmals in Form von Ablaufschritten dargestellt. In einem ersten Schritt 101 wird in der Messkammer mittels des ersten Strömungswiderstands ein bestimmter Druck eingestellt. Im zweiten Schritt 102 wird der Feuchtewert U1 gemessen.

Im dritten Schritt 103 wird der Druck in der Meßkammer durch Einstellen eines zweiten Strömungswiderstandes im ersten Gasanschluss auf einen zweiten Wert geändert.

Im vierten Schritt 104 wird ein zweiter Feuchtewert U2 gemessen. Im fünften Schritt 105 wird der Quotient aus U1 und U2 berechnet. Im sechsten Schritt 106 werden die Quotienten aus P1 und P2 sowie U1 und U2 miteinander verglichen. Stimmen die beiden Quotienten überein, so wird im nächsten Schritt (109) der Korrekturwert k = 0 gesetzt und das Kalibrierverfahren beendet. Stimmen die Quotienten nicht überein, so wird im nächsten Schritt 107 k aus der oben angegebenen Formel berechnet. Im achten Schritt 108 wird dann k im Speicher 10 zur Korrektur folgender Feuchtemessungen gespeichert.

4 zeigt im Detail die Kalibriervorrichtung mit einer Messkammer 2, die einen ersten Gasanschluss 3 und einen zweiten Gasanschluss 4 aufweist, wobei der erste Gasanschluss 3 mit einer gasdruckbeaufschlagbaren Anlage 5 verbunden ist und einen ersten Einströmkanal 3a sowie einen zweiten Einströmkanal 3b in Form eines Gasrohres aufweist. Der erste Einströmkanal 3a hat eine Engstelle 3d, die einen vergrößerten ersten Strömungswiderstand aufweist.

Der zweite Einströmkanal 3b ist im ersten Zustand durch den Kugelhahn 3c, der symbolisch durch eine dicke Linie dargestellt ist, verschlossen und in einem zweiten Zustand geöffnet, so dass er den ersten Einströmkanal 3a überbrückt.

In dem geöffneten Zustand des Kugelhahns 3c herrscht in der Messkammer 2 annähernd derselbe Druck wie in der Anlage 5, da durch den zweiten Gasanschluss 4 das Gas nicht so schnell ausströmen kann, wie es durch den ersten Gasanschluss 3 einströmt. Der Gasanschluss 4 führt ins Freie, das heißt, er ist sekundärseitig mit Atmosphärendruck verbunden. Er weist eine Engstelle 4a auf, die einen dritten Strömungswiderstand hat.

Ist der Kugelhahn 3c geschlossen, so kann das Gas aus der Anlage 5 lediglich durch die Engstelle 3d in die Messkammer einströmen, so dass sich in der Messkammer 2 nach dem Verhältnis der Strömungswiderstände der Engstellen 3d, 4a ein Zwischendruck einstellt. Die beiden genannten Druckwerte lassen sich gut reproduzieren und ihr Verhältnis steht reproduzierbar fest und ist gemessen. Der Quotient ist in dem Speicher 14 aus 2 abgelegt.

Bei einer Beispielkalibrierung wurde zunächst ein erster Druckwert P1 = 4,5 bar eingestellt. Bei diesem Druckwert wurde mittels des Feuchtesensors ein Feuchtewert U1 = 1,7% relative Feuchte gemessen. Bei einem zweiten Gasdruck von 0,9 bar nach Öffnung des Kugelhahns wurde ein Feuchtewert von 0,5% relativer Feuchte gemessen. Der Quotient der Druckwerte betrug 5.

Damit müßte der relative Feuchtewert bei hohem Druck von 1,7% relativer Feuchte auf 0,34% relativer Feuchte bei dem niedrigeren Druckwert absinken. Gemessen wurde aber ein Wert von 0,5% relativer Feuchte bei dem niedrigeren Druckwert. Das heißt, es ist eine Korrektur notwendig, k ergibt sich wie folgt k = (5·0,5% r. F – 1,7% r. F)/(5 – 1) = 0,2% r. F.

Die korrigierten Feuchtewerte gemäß der durchgeführten Messung sind dann U1 (real) = 1,7% r. F – 0,2% r. F = 1,5% r. F und U2 (real) = 0,5% r. F – 0,2% r. F = 0,3% r. F.

Das beschriebene Kalibrierverfahren kann während des Betriebs des Feuchtesensors zyklisch beziehungsweise periodisch durchgeführt und jeweils ein neuer Korrekturwert berechnet und gespeichert werden.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors (1) mit einer Messkammer (2), die einen ersten Gasanschluss (3) zur Verbindung mit einer druckbeaufschlagbaren Anlage (5) und einen zweiten Gasanschluss (4) zur Verbindung mit einem weiteren Gasraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Gasanschluss einen Strömungswiderstand aufweist, der auf zwei verschiedene feste Werte einstellbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gasanschluss und/oder der zweite Gasanschluss einen ersten Kanal (3a) mit einem ersten Strömungswiderstand aufweist sowie einen zweiten Kanal (3b) mit einem zweiten Strömungswiderstand, der parallel zu dem ersten Kanal (3a) verläuft, mit einer Sperrvorrichtung (3c) verschließbar ist und im geöffneten Zustand der Sperrvorrichtung den ersten Kanal (3a) überbrückt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasanschluss (4) einen einzigen Kanal mit einem Strömungswiderstand aufweist, der größer ist als die Strömungswiderstände des ersten und zweiten Kanals (3a, 3b) des ersten Gasanschlusses (3).
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Strömungswiderstandes des zweiten Gasanschlusses (4) zum Strömungswiderstand des zweiten Kanals (3b) des ersten Gasanschlusses (3) größer als 10 zu 1 ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand des zweiten Gasanschlusses (4) kleiner als der Strömungswiderstand des ersten Kanals (3a) des ersten Gasanschlusses (3).
  6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (3b) des ersten oder zweiten Gasanschlusses durch ein Gasrohr gebildet ist, das mittels eines Kugelhahns (3c) sperrbar ist.
  7. Sensoranordnung zur Messung einer Gasfeuchte mit einem Feuchtesensor und einer Vorrichtung zur Kalibrierung des Feuchtesensors gemäß einem der Ansprüche 1 – 6.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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