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Dokumentenidentifikation DE102005017699B4 13.12.2007
Titel Messverfahren und Feuchtesensorvorrichtung zur Ermittlung einer Taupunkttemperatur
Anmelder FESTO AG & Co., 73734 Esslingen, DE
Erfinder Briegel, Richard, 73760 Ostfildern, DE;
Hörz, Jürgen, 72585 Riederich, DE
Vertreter Patentanwälte Magenbauer & Kollegen, 73730 Esslingen
DE-Anmeldedatum 07.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005017699
Offenlegungstag 12.10.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse G01N 25/68(2006.01)A, F, I, 20060725, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Feuchtesensorvorrichtung zur Ermittlung einer Taupunkttemperatur mit einer Membran, mit einer Heizeinrichtung zum Erwärmen der Membran und mit einer Temperatursensoranordnung zum Erfassen eines Temperaturverlaufes beim Erwärmen der Membran, wobei anhand des Temperaturverlaufes ein Feuchtigkeitszustand an der Membran ermittelbar ist.

Ein derartiger Feuchtsensor bzw. ein Verfahren zum Betrieb des Sensors ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 13 190 A1 bekannt. Eine Kühleinrichtung kühlt den Feuchtesensor soweit ab, dass sich Feuchtigkeit auf der Membran niederschlägt. Anschließend wird die Membran mit der Heizeinrichtung erwärmt. Aufgrund der geringen Wärmekapazität der Membran kann man die Aufheizkurve bzw. den Temperaturverlauf, der sich bei dem Aufheizen einstellt, analysieren und so eine Feuchte-Analyse durchführen. Die gemessene Aufheizkurve wird beispielsweise mit einer gespeicherten Referenz-Aufheizkurve verglichen.

In der Praxis stößt diese Vorgehensweise jedoch auf diverse Probleme: die Aufheizkurve wird beispielsweise durch die Umgebungstemperatur, die Verschmutzung der Membran, die Druckverhältnisse am Messort oder dergleichen beeinflusst. Dementsprechend müsste man, um zuverlässige Werte zu erhalten, eine Vielzahl von Referenz-Aufheizkurven für die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen speichern und die Umgebungsparameter jeweils bei der Analyse der Aufheizkurve mit einbeziehen, wozu man unter anderem weitere Sensoren, beispielsweise für Druck und Umgebungstemperatur, für Verschmutzungsgrad oder dergleichen benötigen würde.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0 981 737 B1 ist eine Feuchtesensorvorrichtung mit einer Membran bekannt, bei der Heizeinrichtungen in die Membran integriert sind. Die Heizeinrichtungen erzeugen begrenzt Wärme an der Membran. Die Feuchtesensorvorrichtung kann in einem Pulsbetrieb betrieben werden, in der Heizpulse erzeugt werden. Temperaturfühler erfassen Temperaturdifferenzen, um einen Benetzungsgrad bzw. eine Feuchtegrad an der Membran zu ermitteln. Die Feuchtesensorvorrichtung wird an einem saugfähigen Stoff, z.B. Holz, Papier oder Karton platziert, um dort die Feuchtigkeit zu ermitteln.

Aus der deutschen Übersetzung DE 694 19 570 T2 der europäischen Patentschrift EP 0 640 830 B1 ist ein Taupunktsensor bekannt, bei dem ein Film kurzzeitig beheizt wird. Wenn Flüssigkeit oder Eis auf einer Fläche des Films, an dem ein Widerstandsmuster angeordnet ist, kondensiert, wird ein veränderter Widerstandswert eines Detektorwiderstandes während eines jeweiligen Heizabschnittes ermittelt. Der Widerstandswert verändert sich aufgrund der thermischen Masse des Wassers oder auch aufgrund der für die Verdampfung des Wassers oder des Schmelzens des Wassers erforderlichen Energie. Der Taupunktdetektor enthält eine Brückenschaltung zur Ermittlung des Widerstandswertes.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gegenüber Umwelteinflüssen robuste Feuchtesensorvorrichtung bzw. ein Messverfahren bereitzustellen.

Zur Lösung der Aufgabe ist bei der Feuchtesensorvorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, dass sie eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Heizeinrichtung zu einem pulsförmigen Aufheizen der Membran mit einem ersten und einem mindestens zweiten Heizpuls einer Heizpulsgruppe aufweist, die einen ersten und mindestens einen zweiten von der Temperatursensoranordnung erfassbaren Temperaturverlauf erzeugen, und dass eine Analyseeinrichtung zur Ermittlung einer Taupunkttemperatur einen Bestandteil der Feuchtesensorvorrichtung bildet oder mit dieser zusammenwirkt, wobei die Analyseeinrichtung durch Vergleich des ersten und des mindestens ei nen zweiten Temperaturverlaufes ermittelt, ob der erste Heizpuls ein Verdampfen von Flüssigkeit von der Membran weg bewirkt hat. Zur Lösung ist ferner ein Messverfahren gemäß der technischen Lehre eines weiteren unabhängigen Anspruchs vorgesehen.

Bei kurzen Pulsdauern der Heizpulse kann man diese auch als Heiz-Impuls bezeichnen.

Zwischen den beiden Heizpulsen verändern sich die Umweltbedingungen nicht oder zumindest nur so unwesentlich, dass durch den Vergleich der sich durch die beiden Heizpulse ergebenden Temperaturverläufe ermittelbar ist, ob beispielsweise der erste Heizpuls ein Verdampfen von Flüssigkeit von der Membran weg bewirkt hat. Für das Verdampfen von Flüssigkeit wird nämlich Energie benötigt, so dass die Temperatursensoranordnung einen im Vergleich zum zweiten Heizpuls niedrigeren und/oder sich langsamer steigernden ersten Temperaturverlauf ermittelt. Der zweite Heizpuls bewirkt sozusagen einen Referenz-Temperaturverlauf, bei dem lokalen Umgebungsbedingungen, d.h. Druck, Umgebungstemperatur, Verschmutzung der Membran etc., berücksichtigt sind, so dass der Vergleich mit dem ersten Temperaturverlauf zuverlässig ergibt, ob der erste Heizpuls ein Verdampfen von Flüssigkeit von der Membran weg bewirkt hat.

In diesem Zusammenhang sei betont, dass die Heizpulsgruppe zwar bevorzugt genau zwei Heizpulse, d.h. ein Heizpulspaar, umfasst, prinzipiell auch mehr als zwei Heizpulse umfassen kann, wobei beispielsweise zwei oder drei Heizpulse zum Verdampfen von auf der Membran befindlicher Flüssigkeit dienen, wohingegen der letzte Heizpuls oder die letzten Heizpulse der Heizpulsgruppe sozusagen als Referenzpuls(e) dienen, die einen Referenz-Temperaturverlauf erzeugen. Man kann dementsprechend auch sagen, dass der erste Heizpuls oder die ersten Heizpulse einer Heizpulsgruppe der bzw. die Verdampfungspulse sind – wobei ein Verdampfen von Flüssigkeit nur dann stattfindet, wenn Flüssigkeit auf der Membran war.

Die Zeitspanne zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Heizpuls ist zweckmäßigerweise so kurz, dass die Membran im Wesentlichen nicht mehr betaut oder möglichst gar nicht mehr betaut, d.h. dass sich keine Flüssigkeit auf der Membran niederschlägt bzw. dort kondensiert. Der dem zweiten Heizpuls zugeordnete zweite Temperaturverlauf entspricht dann einem Temperaturverlauf, der bei vollständig oder im Wesentlichen unbetauter Membran erfassbar ist. Die Heizleistung der Heizeinrichtung während des ersten Heizpulses oder einer Gruppe erster Heizpulse reicht zweckmäßigerweise aus, um auf der Membran vorhandene Flüssigkeit im Wesentlichen vollständig zu verdampfen.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Verläufe des ersten und des mindestens einen zweiten Heizpulses im Wesentlichen gleich sind. Es ist prinzipiell auch möglich, dass die Heizpulse einer Heizpulsgruppe verschieden ausgestaltet sind, wenn z.B. bei dem Vergleich des ersten und zweiten Temperaturverlaufs zusätzlich die Verläufe der Heizpulse analysiert werden.

Zweckmäßigerweise ist die Heizleistung der Heizeinrichtung während des ersten und des mindestens einen zweiten Heizpulses durch die Steuereinrichtung einstellbar. Vorteilhafterweise ist die Heizleistung regelbar.

Der Taupunkt wird zweckmäßigerweise durch ein Näherungsverfahren, insbesondere ein Iterationsverfahren, ermittelt, bei dem die Steuereinrichtung in vorbestimmten und/oder regelbaren Zeitabständen Heizpulsgruppen erzeugt und die Heizleistung der Heizpulse ändert.

Die Heizleistung wird beispielsweise bis in einen Bereich oberhalb des Taupunkts erhöht, wo die beiden Heizpulse im Wesentlichen gleiche erste und zweite Temperaturverläufe erzeugen, weil der erste Heizpuls keine Flüssigkeit von der Membran verdampft. Sodann verringert die Steuereinrichtung die Heizleistung wieder soweit, dass sich in einer Periode zwischen zwei Heizpulsgruppen wieder Feuchtigkeit auf der Membran niederschlagen kann, die dann später durch Aufheizen der Membran im Rahmen einer nachfolgenden Heizpulsgruppe wieder verdampft wird. Die Feuchtesensorvorrichtung nähert die Heizleistung sozusagen dem Taupunkt an, um eine Temperatur möglichst knapp oberhalb des Taupunktes bzw. knapp unterhalb des Taupunktes und somit den zwischen diesen Temperaturen liegenden Taupunkt näherungsweise zu ermitteln.

Die Heizleistung der Heizpulse wird zweckmäßigerweise von einer Heizpulsgruppe zur nächsten Heizpulsgruppe verändert. Es versteht sich, dass die Heizleistung der Heizpulse auch innerhalb einer Heizpulsgruppe änderbar ist, beispielsweise wenn mehrere Heizpulse zum Verdampfen von Flüssigkeit benötigt werden, bis schließlich der letzte Heizpuls oder einer der letzten Heizpulse einer Heizpulsgruppe einen Temperaturverlauf ergibt, aus dem ableitbar ist, dass die Membran nun frei von Flüssigkeit oder im Wesentlichen frei von Flüssigkeit ist.

Zweckmäßigerweise weist die Feuchtesensorvorrichtung eine Kühleinrichtung auf, die einen Flüssigkeitsniederschlag auf der Membran bewirkt. Es kann auch eine von der Sensorvorrichtung separate Kühleinrichtung vorgesehen sein. Der Flüssigkeitsniederschlag findet zweckmäßigerweise zwischen den Heizpulsen zweier aufeinanderfolgender Heizpulsgruppen statt, nicht jedoch zwischen den Heizpulsen innerhalb einer Heizpulsgruppe. Mit der Kühleinrichtung ist der oben beschriebene Abkühl-Erwärm-Zyklus sozusagen aktiv durchfahrbar, um den Taupunkt durch ein Näherungsverfahren zu ermitteln. Die Kühleinrichtung kann eine vorbestimmte, einstellbare oder feste Kühlleistung erbringen. Die Kühleinrichtung ist zweckmäßigerweise durch die Steuereinrichtung ansteuerbar, beispielsweise zum Steuern eines Flüssigkeitsniederschlags auf der Membran, zur Energieeinsparung bei der Kühlleistung etc..

Die Heizeinrichtung und/oder die Temperatursensoranordnung sind zweckmäßigerweise an der Membran angeordnet, z.B. oberhalb oder unterhalb, oder zumindest teilweise in die Membran integriert. Der oder die Temperatursensoren der Temperatursensoranordnung sind vorteilhafterweise von der Heizeinrichtung beabstandet.

Obwohl die Erfindung zweckmäßig auf vielen technischen Gebieten einsetzbar ist, beispielsweise dem Gebiet der Klimatechnik oder dergleichen, ist ein bevorzugter Anwendungsbereich die Fluidtechnik, insbesondere die Pneumatik. Die Feuchtesensorvorrichtung bildet vorteilhafterweise einen Bestandteil einer fluidtechnischen Vorrichtung, bei der es sich beispielsweise um ein Wartungsgerät, eine Diagnosegerät, eine Ventilanordnung oder einen Aktor handelt. Die Vorrichtung kann beispielsweise ein Entfeuchter für eine pneumatische Anlage sein.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

1 eine teilweise im Querschnitt dargestellte, teilweise schematisch dargestellte erfindungsgemäße Feuchtesensorvorrichtung,

2 eine Draufsicht der Feuchtesensorvorrichtung gemäß

1 in einem in eine fluidtechnische Vorrichtung eingebauten Zustand,

3 die Feuchtesensorvorrichtung gemäß 2 im Querschnitt entlang einer Linie A-A in 2,

4 ein beispielhafter Verlauf zweier aufeinanderfolgender Heizpulse an einer Membran der Feuchtesensorvorrichtung gemäß 1,

5 sich infolge der Heizpulse gemäß 4 einstellende Temperaturverläufe an der Membran der Feuchtesensorvorrichtung gemäß 1,

6 eine Folge zweier Heizpulsgruppen mit jeweils zwei Heizpulsen an der Membran der Feuchtesensorvorrichtung gemäß 1, und

7 ein sich infolge der Aufheizung der Membran mit den Heizpulsgruppen gemäß 6 einstellender Temperaturverlauf an der Membran der Feuchtesensorvorrichtung gemäß 1.

Eine Membran 11 einer Feuchtesensorvorrichtung 10 ist an einem Träger 12 befestigt. Die Membran 11 hat ein großes Verhältnis zwischen ihrer Oberfläche und ihrer Wärmekapazität und ist beispielsweise aus einem Siliziummaterial gefertigt. An der Membran 11 kann sich in einem gasförmigen Fluid 39, z.B. Druckluft, enthaltene Feuchtigkeit bzw. Flüssigkeit 13 niederschlagen. Der Feuchtigkeitsniederschlag bzw. ein Verdampfen der Flüssigkeit ist durch eine Kühleinrichtung 14 mit einem Peltierelement 15 sowie eine Heizeinrichtung 16 beeinflussbar, beispielsweise einen Heizdraht oder dergleichen. Die Heizeinrichtung 16 ist beim Ausführungsbeispiel in die Membran 11 integriert, wobei auch eine Anordnung unterhalb oder neben der Membran 11 prinzipiell denkbar ist.

Eine kalte Seite 17 des Peltierelements 15 ist zweckmäßigerweise flächig parallel zur Membran 11, beispielsweise unterhalb der Membran 11, angeordnet und kühlt diese soweit ab, dass sich Flüssigkeit 13 auf ihr niederschlagen kann. Ein warmes Ende bzw. eine warme Seite 18 des Peltierelements 15 sitzt auf einer großen thermischen Masse, die Wärmeenergie aufnehmen kann, beispielsweise auf einem Kühlkörper 19. Der Kühlkörper 19 wird beispielsweise durch ein Gehäuse 20 der Feuchtesensorvorrichtung 10 gebildet. Das Gehäuse 20 besteht beispielsweise aus Metall, z.B. Aluminium oder dergleichen.

In die Membran 11 sind ferner Temperatursensoren 21 einer Temperatursensoranordnung 22 integriert. Die Temperatursenso ren 21 sind von der Heizeinrichtung 16 beabstandet. Prinzipiell ist auch ein an der Membran 11 angeordneter Temperatursensor möglich.

Die Membran 11, der Träger 12 sowie die Heizeinrichtung 16 und die Temperatursensoranordnung 22 sind zweckmäßigerweise aus einem einzigen Substrat gefertigt; sie bilden beispielsweise einen Sensorchip 23. Das Peltierelement 15 ist beim Ausführungsbeispiel eine separate Einrichtung, wobei eine Integration in eine erfindungsgemäße Feuchtesensorvorrichtung ebenfalls möglich wäre, z.B. als ein Bestandteil eines Sensorchips in der Art des Sensorchips 23. Als Kühleinrichtung sind auch sonstige elektronische und/oder mechanische Kühlmittel möglich, beispielsweise Ventilatoren, insbesondere Mikroventilatoren, oder dergleichen.

Das Peltierelement 15 ist über eine Leitung 24 und einem Steckverbinder 25, der Sensorchip 23 über eine Leitung 26 und einen Steckverbinder 27 mit einem Steuermodul 28 verbunden. Das Steuermodul 28 bildet zweckmäßigerweise einen Bestandteil der Feuchtesensorvorrichtung, könnte aber auch ein separates Steuermodul sein. Die Leitung 26 ist beispielsweise ein Bestandteil eines Flexboards 65, das an einem Träger 29, z.B. einem Vorsprung des Gehäuses 20, befestigt ist. Der Träger 29 dient als Zugentlastung.

Der Stecker 25 ist im Wesentlichen druck- und/oder feuchtigkeitsdicht in das Gehäuse 20 integriert, beispielsweise in dessen Boden-Wandung 30. Der Träger 29 und das Peltierelement 15 sind auf der Oberseite der Boden-Wandung 30 angeordnet, das Steuermodul 28 an der Unterseite der Boden-Wandung 30. Der Stecker 25 durchdringt die Boden-Wandung 30. Die Boden-Wandung 30 wirkt als Kühlkörper für das Peltierelement 15 und schafft zudem einen Abstand zu dem beispielsweise als Leiterplatte ausgestalteten Steuermodul 28 an der Unterseite und dem verhältnismäßig warmen Peltierelement 15 an der Oberseite der Boden-Wandung 30. Der Steckverbinder 27 ist in einer Öffnung 31 des Boden-Wandung 30 angeordnet. Zwischen dem Steckverbinder 27 und der Boden-Wandung 30 ist ein Abstand vorhanden. Eine Dichtung 32, beispielsweise ein O-Ring, an der Unterseite der Boden-Wandung 30 umgibt die Öffnung 31 und liegt an dem Steuermodul 28 an, so dass die Öffnung 31 gegenüber der Umgebung dicht ist.

Die Boden-Wandung 30 bildet einen Boden einer Ausnehmung 33 in der Art einer Wanne, in der der Sensorchip 23 angeordnet ist. Seitenwandungen 34 der Ausnehmung 33 sind an einer Wandung 35 einer fluidtechnischen Vorrichtung 36, beispielsweise eines Diagnosegeräts oder eines Trockners, für eine pneumatische Anlage angeordnet. Zwischen den Seitenwandungen 34 und der Wandung 35 ist zweckmäßigerweise eine Dichtung 37, z.B. ein O-Ring aus einem elastischen Material, angeordnet. Die Ausnehmung 33 korrespondiert mit einer Öffnung 38 an der Wandung 35, so dass das Fluid 39 zu dem Sensorchip 23 gelangen kann. Der Sensorchip 23 dient zur Erfassung einer Taupunkttemperatur bzw. zur Erfassung von Feuchtigkeit, die in dem Fluid 39 enthalten ist.

Das Steuermodul 28 enthält einen Prozessor zur Ausführung von in einem Speicher 41, der einen Bestandteil des Prozessors 40 bilden kann, gespeicherten Programm-Modulen, beispielsweise einem Steuer-Programmmodul 42 und einem Analyse-Programmmodul 44, die eine Steuereinrichtung 43 und eine Analyseeinrichtung 45 bilden. Über eine Ein-/Ausgabeschnittstelle 46 sind das Peltierelement 15 und der Sensorchip 23 an das Steuermodul 28 angeschlossen. Die Steuereinrichtung 43 steuert die Heizeinrichtung 16 und zweckmäßigerweise auch die Kühleinrichtung 14. Es versteht sich, dass auch eine ungesteuerte Kühleinrichtung 14, die beispielsweise mit einer konstanten, vorteilhafterweise einstellbaren Kühlleistung arbeitet, möglich ist.

Die Analyseeinrichtung 45 erhält Temperaturmesswerte 66 von der Temperatursensoranordnung 22, die sie zur Ermittlung einer Taupunkttemperatur des Fluids 39 analysiert. Das Steuermodul 28 kommuniziert über eine Bus-Schnittstelle drahtgebunden, z.B. über eine Leitung 48, und/oder über eine Funk-Schnittstelle 49 drahtlos mit ihrer Umgebung. Über die Leitung 48 wird die Feuchtesensorvorrichtung 10 zweckmäßigerweise mit elektrischer Energie versorgt.

Die Steuereinrichtung 43 steuert die Heizeinrichtung 16 zu einem pulsförmigen Aufheizen der Membran 11 an. Dabei erzeugt die Heizeinrichtung 16 Heizpulsgruppen, beispielsweise Heizpulsgruppen 50, 51 mit jeweils einem ersten und einem zweiten Heizpuls 52, 53; 54, 55. Die Heizpulse 52-55 sind vorliegend rechteckförmig, wobei auch andere Pulsformen, beispielsweise umgekehrt parabolische Pulse, sinusförmige Pulse, Trapezpulse oder dergleichen möglich sind. Die Heizpulsgruppen 50, 51 sind Bestandteil eines Abkühl-Erwärm-Zyklusses 56, der vorteilhafterweise weitere, in der Zeichnung nicht dargestellte Heizpulsgruppen aufweist. Durch die Heizpulse 52 bis 55 wird die Membran 11 jeweils erwärmt, so dass auf der Membran 11 befindliche Flüssigkeit 13 verdampft, wie z.B. in 3 schematisch dargestellt ist.

Die Heizpulse 52, 53; 54, 55 folgen unmittelbar aufeinander, das heißt zwischen den Heizpulsen 52 und 53 bzw. 54 und 55 ist eine kurze Pulspause 57, die wesentlich kürzer ist als eine Heizpulsgruppenpause 58 zwischen den Heizpulsgruppen 50, 51. Die Pulspause 57 ist derart kurz, dass sich keine Flüssigkeit 13 oder zumindest nur wenig Flüssigkeit 13 an der Membran 11 anlagern kann, wohingegen sich während der Heizpulsgruppenpause 58 auf der Membran 11 Flüssigkeit 13 niederschlagen kann bzw. dort kondensieren kann. Beispielsweise beträgt die Heizpulsgruppenpause 58, die man auch als Betauungszeit der Membran 11 bezeichnen kann, 1 bis 2 Sekunden, wohingegen die Heizpulse 52, 53 innerhalb von beispielsweise 20 bis 50 ms aufeinander folgen. Die Heizeinrichtung 16 heizt die Membran 11 bei den Heizpulsen 52, 53; 54, 55 für eine Pulsdauer 59 beispielsweise durch Anlegen einer Heizspannung Uh mit einem wert U1 auf. Die Pulsdauer 59 beträgt beispielsweise 100 ms, so dass man die Heizpulse 52, 53; 54, 55 auch als Heiz-Impulse bezeichnen kann.

Es versteht sich, dass auch kürzere oder längere Pulsdauern, Heizpulsgruppenpausen und Pulspausen möglich sind, z.B. Heizpulsgruppenpausen von mehreren Minuten oder lange Pausen zwischen Abkühl-Erwärm-Zyklen, die jeweils einige Heizpulsgruppen enthalten.

Der erste Heizpuls 52, 54 der Heizpulsgruppen 50, 51 ist zweckmäßigerweise so bemessen, dass er ausreicht, auf der Membran 11 befindliche Flüssigkeit 13 im Wesentlichen vollständig zu verdampfen. Die Steuereinrichtung 43 steuert die Heizleistung der Heizeinrichtung 16 dementsprechend vorteilhafterweise so, dass diese Bedingung erfüllt ist. Beispielsweise verlängert die Steuereinrichtung 43 die Pulsdauer der Heizpulse 52, 53 zu einer Pulsdauer 59', so dass längere Heizpulse 52', 53' gebildet werden, um die Flüssigkeit 13 vollständig von der Membran 11 zu verdampfen. Auch eine Veränderung der Heizleistung durch Veränderung des Heizstromes und/oder der Heizspannung, beispielsweise auf einen Wert U2, wie bei den Heizpulsen 54, 55 ist zu diesem Zwecke möglich.

Infolge der Beheizung der Membran 11 mit den Heizpulsen 52 bis 55 misst die Temperatursensoranordnung 22 erste und zweite Temperaturverläufe 60, 61 bzw. 62, 63, z.B. mit Maximaltemperaturen T1 und T2 einer gemessenen Temperatur Tm. Die Temperaturverläufe 60, 61; 62, 63 sind beispielsweise exponentiell. Man kann die Temperaturverläufe auch als Temperaturpulse bezeichnen.

Anhand der Temperaturverläufe 60, 61 ermittelt die Analyseeinrichtung 45, ob der erste Heizpuls 52 ein Verdampfen der Flüssigkeit 13 von der Membran 11 bewirkt hat. Dies ist beispielsweise bei der Darstellung in 5 der Fall, wo sich die Temperaturverläufe 60, 61 um ein vorbestimmtes Maß unterscheiden. Der zweite Temperaturverlauf 61 bildet sozusagen einen Referenz-Temperaturverlauf, an dem der ersten Temperaturverlauf 60 gemessen wird bzw. mit dem der erste Temperaturverlauf 60 verglichen wird. Wenn der erste Temperaturver lauf 60 einer gestrichelten Linie 64 entsprechen würde, die dem zweiten Temperaturverlauf 61 gleicht oder zumindest im Wesentlichen gleicht, wäre beim ersten Heizpuls 52 keine Flüssigkeit 13 oder nur wenig Flüssigkeit 13 von der Membran 11 verdampft worden. Findet ein Verdampfen von Flüssigkeit 13 statt, ermittelt die Feuchtesensorvorrichtung 10, dass die Temperatur T1 unterhalb eines Taupunktes Tp liegt. Um eine Temperatur Tm einzustellen, die oberhalb eines Taupunktes Tp liegt, erhöht die Steuereinrichtung 43 beispielsweise die Heizspannung Uh und/oder verlängert die Pulsdauer der Heizpulse.

Eine Veränderung der Heizspannung Uh ist beispielhaft und zur Verdeutlichung stark überhöht in den 6 und 7 dargestellt. Die Temperaturverläufe 62, 63 sind im Wesentlichen gleich, so dass die Analyseeinrichtung 45 ermittelt, dass keine Flüssigkeit 13 von der Membran 11 durch den ersten Heizpuls 54 der Heizpulsgruppe 51 verdampft worden ist. Die Temperatur T2 liegt daher oberhalb der Taupunkttemperatur TP oder einer dieser zugeordneten, von der Temperatursensoranordnung 22 lokal erfassten Messtemperatur. Die Steuereinrichtung 43 senkt anschließend die Heizleistung der Heizeinrichtung während der nachfolgenden, in der Figur nicht dargestellten Heizpulsgruppe wieder ab bzw. erhöht sie in der übernächsten Heizpulsgruppe. Auf diese Weise wird der Taupunkt Tp sozusagen näherungsweise bestimmt.

Die Analyseeinrichtung kann die gemessene bzw. iterativ bestimmte Taupunkttemperatur TP mit einen Korrekturwert oder mittels einer Korrekturwerttabelle korrigieren, so dass beispielsweise ein Messverhalten der Temperatursensoranordnung korrigiert ist.

Zweckmäßigerweise wird die Heizleistung der Heizeinrichtung 16 bzw. die Temperatur der Membran 11 so geregelt, dass nur eine minimale Betauung mit der Flüssigkeit 13 stattfindet.

Zweckmäßigerweise wird eine Änderung der Taupunkttemperatur Tp kontinuierlich, das heißt durch periodisches Heizen der Membran 11 mit Heizpulsgruppen ermittelt. Es versteht sich, dass zwischen der jeweiligen Ermittlung des Taupunktes Tp auch größere Pausen sein können.


Anspruch[de]
Feuchtesensorvorrichtung zur Ermittlung einer Taupunkttemperatur (Tp) mit einer Membran (11), mit einer Heizeinrichtung (16) zum Erwärmen der Membran (11) und mit einer Temperatursensoranordnung (22) zum Erfassen eines Temperaturverlaufes beim Erwärmen der Membran (11), wobei anhand des Temperaturverlaufes ein Feuchtigkeitszustand an der Membran (11) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinrichtung (43) zur Ansteuerung der Heizeinrichtung (16) zu einem pulsförmigen Aufheizen der Membran (11) mit einem ersten und einem mindestens zweiten Heizpuls (52, 53; 54, 55) einer Heizpulsgruppe (50, 51) aufweist, die einen ersten und mindestens einen zweiten von der Temperatursensoranordnung (22) erfassbaren Temperaturverlauf (60, 61; 62, 63) erzeugen, und dass eine Analyseeinrichtung (45) zur Ermittlung einer Taupunkttemperatur (Tp) einen Bestandteil der Feuchtesensorvorrichtung (10) bildet oder mit dieser zusammenwirkt, wobei die Analyseeinrichtung (45) durch Vergleich des ersten und des mindestens einen zweiten Temperaturverlaufes (60, 61; 62, 63) ermittelt, ob der erste Heizpuls (52; 54) ein Verdampfen von Flüssigkeit (13) von der Membran (11) weg bewirkt hat. Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitspanne zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Heizpuls (52, 53; 54, 55) derart kurz bemessen ist, dass die Membran (11) im Wesentlichen nicht mehr betaut. Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heizeinrichtung (16) während des ersten Heizpulses (52; 54) ausreicht, um auf der Membran (11) vorhandene Flüssigkeit (13) im Wesentlichen vollständig zu verdampfen. Feuchtesensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verläufe des ersten und des mindestens einen zweiten Heizpulses (52, 53; 54, 55) im Wesentlichen gleich sind. Feuchtesensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heizeinrichtung (16) während des ersten und des mindestens einen zweiten Heizpulses (52, 53; 54, 55) durch die Steuereinrichtung (43) einstellbar, insbesondere regelbar ist. Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (43) die Heizleistung der Heizeinrichtung während der Heizpulse im Rahmen eines Näherungsverfahrens zur Ermittlung des Taupunkts ändert. Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (43) die Heizleistung der Heizeinrichtung während der Heizpulse (52, 53; 54, 55) so lange ändert, bis durch Vergleich der Temperaturverläufe zweier aufeinander folgender Heizpulse (52, 53; 54, 55) einer Heizpulsgruppe (50, 51) ermittelbar ist, dass der erste der beiden Heizpulse kein Verdampfen von Flüssigkeit (13) von der Membran (11) weg mehr bewirkt hat. Feuchtesensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (43) die Heizleistung der Heizeinrichtung während der Heizpulse (52-55) so lange ändert, bis durch Vergleich anhand der Temperaturverläufe zweier aufeinander folgender Heizpulse einer Heizpulsgruppe (50, 51) ermittelbar ist, dass der erste Heizpuls (52; 54) der beiden Heizpulse (52, 53; 54, 55) wieder ein Verdampfen von Flüssigkeit (13) von der Membran (11) weg bewirkt hat. Feuchtesensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (43) die Heizleistung der Heizeinrichtung während der Heizpulse von einer Heizpulsgruppe (50, 51) zur nächsten Heizpulsgruppe (50, 51) und/oder die Heizleistung der Heizeinrichtung während bei den Heizpulsen innerhalb einer Heizpulsgruppe (50, 51) ändert. Feuchtesensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kühleinrichtung (14) zum Kühlen der Membran (11) aufweist, um einen Flüssigkeitsniederschlag (13) auf der Membran (11) zu bewirken. Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (14) die Membran (11) jeweils zwischen aufeinanderfolgenden Heizpulsgruppen (50, 51) abkühlt, so dass zur Ermittlung der Taupunkttemperatur (Tp) mindestens ein Abkühl-Erwärm-Zyklus durchlaufen werden kann. Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (14) ein Peltierelement (15) enthält. Feuchtesensorvorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, die Steuereinrichtung (43) zur Ansteuerung der Kühleinrichtung (14) ausgestaltet ist. Feuchtesensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoranordnung (22) mindestens einen an der Membran (11) angeordneten oder in die Membran (11) integrierten Temperatursensor aufweist, der von der Heizeinrichtung (16) beabstandet ist. Fluidtechnische Vorrichtung, insbesondere Wartungsgerät und/oder Diagnosegerät und/oder Ventilanordnung und/oder Aktor, mit einer Feuchtesensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Bestandteil der fluidtechnischen Vorrichtung bildet. Messverfahren zur Ermittlung einer Taupunkttemperatur (Tp) mittels einer Feuchtesensorvorrichtung, wobei eine Heizeinrichtung (16) eine Membran (11) erwärmt und eine Temperatursensoranordnung (22) einen Temperaturverlauf beim Erwärmen der Membran (11) erfasst, wobei anhand des Temperaturverlaufes ein Feuchtigkeitszustand an der Membran (11) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet,

– dass eine Steuereinrichtung (43) die Heizeinrichtung (16) zu einem pulsförmigen Aufheizen der Membran (11) mit einem ersten und einem mindestens zweiten Heizpuls (52, 53; 54, 55) einer Heizpulsgruppe (50, 51) ansteuert,

– die Temperatursensoranordnung (22) einen ersten und mindestens einen zweiten durch den ersten und den Heizpuls (52, 53; 54, 55) erzeugten Temperaturverlauf (60, 61; 62, 63) erfassen, und

– dass eine Analyseeinrichtung (45) eine Taupunkttemperatur (Tp) anhand eines Vergleichs des ersten und des mindestens einen zweiten Temperaturverlaufes (60, 61; 62, 63) ermittelt, ob der erste Heizpuls (52; 54) ein Verdampfen von Flüssigkeit (13) von der Membran (11) weg bewirkt hat.






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