DE3011525C2

DE3011525C2 - Regelvorrichtung für einen Feuchtegeber

Info

Publication number: DE3011525C2
Application number: DE19803011525
Authority: DE
Inventors: Veijo Vantaa Antikainen; Jouko Klaukkala Jalava
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1979-03-29
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1985-03-28
Also published as: CA1176345A; JPS5629151A; FI58403B; FR2452709A1; DE3011525A1; GB2047431B; FI58403C; GB2047431A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung . für einen Feuchtegeber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der FI-PS 48 229 ist ein kapazitiver Feuchtegeber beschrieben, dessen Dielektrikum aus einer Polymerschicht besteht, deren Dielektrizitätskonstante eine Funktion der Wassermenge ist, die von der Polymerschicht absorbiert wird. Bei diesen und auch anderen auf Impedanzänderung beruhenden Feuchtegebern treten insbesondere bei der Messung großer Feuchtegehalte unerwünschte Erscheinungen auf. Eine Erscheinung dieser Art ist z. B. ein langsames Aufquellen des Feuchtegebers, das durch mehrere verschiedene Faktoren verursacht werden kann. Im allgemeinen handelt es sich dabei jedoch um zurückkehrende Erscheinungen, deren bessere Beherrschung mit der Erfindung angestrebt wird.

In der älteren FI-PS 7 73 680 (DE-OS 28 51 686) wird ein Verfahren zur Verringerung unerwünschter Eigenschaften eines elektrischen Feuchtegebers vorgeschlagen, das im wesentlichen darin besteht, das feuchteempfindliche Material des Feuchtegebers wenigstens bei größeren relativen Feuchten auf eine Temperatur aufzuheizen, die höher als die Außentemperatur ist.

In der auf der Transducer 78-Konferenz veröffentlichten Schrift »A stable Thin Film Humidity Sensor« von Philip H. Chawner und Cecil A. Cove ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Temperatur des Feuchtegebers gemäß einer Gleichung

geregelt wird, in der T_s die Temperatur des Gebers und T₁ die Außentemperatur ist In der Veröffentlichung werden für die Konstanten K und C Werte 1.041856 und 4,02497 sowie 1,0325 und 4.1000 für einzelne Bereiche der Temperatur Tangegeben, wobei der Feuclnegeber die bestehende Umgebungsfeuchte als 0.75fachen Wert erfaßt

Die Gleichung T₁ = K - T₃ + C ist eine Näherungsgleichung, mit der z. B. im Temperaturbereich von —20 C bis +100⁰C eine Genauigkeit von ca. ±0.2° C bei der Regelung der Gebertemperatur T_s erhalten wird. Die elektronische Schaltung für dieses bekannte Verfahren ist nach F i g. A ausgeführt in der Widerstände Äji, Rn, Ri und R₁ zusammen mit zu diesem parallelgeschalteten Widerstandselementen eine Brückenschaltung bilden, in deren rechtem Zweig Zusatzkomponenten zu Jem nachstehend verdeutlichten Zweck angebracht sind:

Weil R₁ ein von der Außentemperatur T₁ annähernd linear abhängiger Widerstand mii positivem Ternperaturkoeffizienten sowie R, ein von der Gebertemperatur T₁ abhängiger Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten ist, wie z.B. Platinwiderstände PtIOO. ist bei geeigneter Wahl der Werte für genannte Widerstünde und Zusatzkomponenten die Brücke \w Gleichgewicht, wenn die Gleichung

T₅ = K-T₁+ C

erfüllt ist

Der in Fig. A nicht gezeigte Feuchtegeber, der Widerstand A₁ und ein gesonderter Heizwiderstand /?//sind durch Kleben mechanisch verbunden, wodurch zwisehen dem Widerstand Rn. dem Widerstand /?, und dem daran befestigten Feuchtegeber eine thermische Kopplung TC besteht. Unter der Annahme, daß die Verstärkung eines Operationsverstärkers /CJ sehr groß ist. was in der Praxis der Fall ist, ist d:e Funixon der Kopplung physikalisch leicht zu verstehen: Der Widerstand Rh erhält dauernd Leistung zugeführt, die die Brücke durch Temperaturregelung des temperaturempfindlichen Widerstands R₁ und damit durch Regelung des Widerstandswerts im Gleichgewicht hält. Wenn z. B. die Außentemperatur T, ansteigt, steigt der Widerstandswert des Widerstands Rj. Dabei kommt die Brücke aus dem Gleichgewicht und verursacht eine Steigerung des durch einen dem Operationsverstärker IC 1 nachgeschalteten Transistor TR 0 fließenden Stroms und damit der Leistungszufuhr zum Heizwidersiand Ru. wodurch die Temperatur des Widerstands R_s ansteigt, bis das Gleichgewicht der Brücke erreicht ist Durch die temperaturempfindlichen Widerstände fließende, im wesentliche konstante Ströme werden dadurch zustande gebracht, daß die Speisespannung der Brücke stabilisiert wird und die Widerstände R^\ und Rn hochohmig wie z. B. zu 10 V.O. gewählt werden.

Die Konstante K wird durch eine derartige Regelung eines Widerstandes R V\ zustande gebracht, daß der Zahlenwert des Stromverhältnisses IJU der gewünschten Größe des K-Wertes entspricht. Die Konstante Γ wird dadurch auf den gewünschten Wert eingestellt, daß ein Widerstand RV₂ verändert wird, wodurch die Briikkenspannung zwischen Punkten X, Vbeeinflußt wird.

Auf die in der genannten Veröffentlichung beschriebene Weise konnte eine kontrollierte Temperaturregelung annähernd befriedigend durchgeführt werden. Bei diesem bekannten Verfahren wurden jedoch einige

Nachteile festgestellt, die im folgenden ausführlich behandelt werden.

Für die Regelvorrichtung sind zwei mit dem Feuchtegeber verbundene gesonderte Zusatzelemente, nämlich der temperaturempfindliche Widerstand R_s und der Heizwiderstand R_H erforderlich, wodurch die Herstellung der Geber-Widerstand-Kombination schwierig wird. Die Widerstände R_s und R* deren Widerstandswert von der Temperatur abhängig ist, sind aus praktischen Gründen industriell hergestellte Metallwiderstand-Temperaturgeber, die relativ kleine Impedanz haben, wie z. B. PtlOO-Widerstände.

Zur Vermeidung der Selbsterwärmung insbesondere des Widerstands R_M dessen thermische Trägheit klein sein soll, muß dafür gesorgt werden, daß die am Widerstand R wirkende Spannung klein ist. nämlich ungefähr 150 mV beträgt. Damit müssen an die elektronische Schaltung wie z. B. an den Operationsverstärker /Cl sehr hohe Ansprüche gestellt werden. Ferner ist die Schaltung schwer zu eichen und der Betrieb verlangt besondere Sorgfalt, wie z. B. das Vermeiden von Kontaktpotentialen an den Anschlüssen. Außerderv verursacht die Temperaturregelung der bekannten Regelvorrichtung, wenn sie nach der Näherungsgleichung

erfolgt, bedeutende Fehler in den Meßergebnissen. Ein Nachteil ist außerdem, daß die Vorrichtung viele Präzisionskomponenten und eine stabilisierte Stromquelle erforderlich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die sich bei zuverlässiger Funktion durch einfachen Aufbau auszeichnet und mit einfachen Mitteln an unterschiedliche Feuchtegeber-Typyen und Anforderungen anpassen läßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Mitteln gelöst.

Damit erhält die erfindungsgemäße Regelvorrichtung einen äußerst einfachen Aufbau, während zugleich eine hohe Ansprechgeschwindigkeit des Feuchtegebers erzielt wird und die Meßgenauigkeit insbesondere bei hoher relativer Feuchte von beispielsweise über 75 bis 90% verbessert wird. Durch die gleichzeitige Anwendung des Widerstandselements als Heizwiderstand und als Meßfühler ergibt sich eine praktisch verzögerungsfreie Selbstregelung, da eine durch eine Wärmekopplung verursachte Trägheieverzögerung entfällt. Andererseits kann die zur Ermittlung der Außentemperatur dienende Widerstandsanordnung mit dem negativen Temperaiurkoeffizienten weitgehend unabhängig von dem Widerstandselement auf einfache Weise so dimensioniert werden, daß eine optimale Anpassung an unterschiedliche Feuchtegeber erfolgt und zugleich verschiedenartigen Anforderungen entsprochen wird.

Im folgenden wird die Erfindung ausführlich anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, denen ein kapazitiver Fcuchiegeber zugrunde liegt, dessen feuchteempfindlicher Isolierstoff organisches Polymer ist.

F i g. A zeigt eine bekannte Regelvorrichtung.

F i g. I zeigt schematisch einen Feuchtegeber und eine daran angeschlossene Regelvorrichtung.

Fig. 2 /cigt einen Schnitt längs der Linie 11-11 in I ig. I.

F i g. 3 zeigt eine in der Regelvorrichtung verwendete Brückenschaltung und zugehörige Stromregeivorrichtungen.

F i g. 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines ' Meßkopfes einer mit der Regelvorrichtung versehenen Feuchtemeßvorrichtung.

Fig.5 zeigt ausführlich eine Ausführungsform einer in der Regelvorrichtung angewendeten Brückenschaltung.
F i g. 6 zeigt eine bei der Regelvorrichtung auftreiende Temperatur-Differenz AT₅ als Funktion der Außentemperatur T₃.

Fig.7 ist ein ausführliches Schaltschema einer mit der Regelvorrichtung versehenen Meßvorrichtung. Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Feuchtegeber ist aus der FI-PS 48 229 bekannt Als Boden des Feuchtegebers 10 dient eine hinsichtlich der Wasserabsorption passive Grundplatte 11, wie z.B. eine Glasplatte. Auf der Grundplatte U sind, wie aus der Dünnschichttechnik bekannt, durch Metallisieren zwei Grundkontakte 12 angebracht, an die an Lötstellen 16 Anschlußkabel 21 befestigt sind, über die die Kapazität gemessen und mit einem Gerät angezeigt wird, das in F i g. 1 ichematisch durch Felder 20 und 22 dargestellt ist. Der Feuchtegeber 10 hat als aktiven Stoff eine dünne Polymerschicht 13. ■

z. B. mit einer Stärke von ca. 10 μΐη. Durch Vakuumaufdampfen, Aufspritzen oder chemisches Bilden ist auf die Polymerschicht 13 ein wasserdurchlässiger Oberflächenkontakt 14 aufgetragen, der mit keinem der beiden Grundkontakte 12 galvanische Verbindung hat. Somit wird die zu messende Kapazität Cm im Bereich d und e (F i g. 2) durch die Serienschaltung der zwischen den Grundkontakten 12 und dem Oberflächenkontakt 14 entstehenden Kapazitäten gebildet. In F i g. 1 sind durch ein Feld 17 Vorrichtungen darge- ' stellt, mit denen die Außentemperatur T₁, gemessen wird und deren Signal über eine Zuleitung 19 zur Meß- und Regelvorrichtung 20 geleitet wird. Aus F i g. 2 ist ein an der Grundplatte 11 z. B. durch Aufdampfen aufgetragenes Widerstandselement /?.st ersichtlich, mit dem der Feuchtegeber 10 mittels der Regelvorrichtung auf einer Temperatur T_s gehalten wird, die höher als die Außentemperatur Ta ist. In Fi g. 1 ist 18 eine Verbindung, über die ein Heizstrom h zum Widerstandselement Rsr geführt und die Temperatur T, des Feuehiegeberi gemessen wird.

Nach Fig. 3 enthält eine Brückenschaltung der Regelvorrichtung das temperaturempfindliche Widerstandselement Rst mit kleiner Impedanz, wie z. B. einen Platinwiderstand PtIOO, mit dem Temperatur gemessen und mit der durch den Meßstrom verursachten Selbsterwärmung die Temperatur des Gebers 10 oder des ihn umgebenden Mediums, im allgemeinen Luft, erhöht wird. Das Widerstandselement Λ57-ist am Feuchtegeber 10 befestigt, auf der Oberfläche des Feuchtegebers 10 gebildet oder ein gesondertes Element, durch das das Medium, mit dem der Feuchtegeber 10 in Berührung kommt, erwärmt wird. Die Brückenschaltung nach Fig.3 hat eine von der Außentemperatur abhängige Widerstandsordnunr mit negativem Temperaturkoeffizienten und hoher Impedanz, wie z. B. eine Thermistor-Widerstand-Schältung, die so ausgeführt ist. daß ihre Impedanz Rat auf eine bestimmte gewähhe Weise eine Funktion von Feuchtegeber und AuBeniempenitur Tj ist. Widerstände Ri und R2 der Brückenschaltung haben jeweils einen konstan.cn Widerstandswert mit geringer Temperaturabhängigkeit, so daß sie auch anderswo als in der Nähe des Feuchtegebers 10 in einer Temperatur angeordnet werden können, die von der Temperatur des

10

15

als McBobjckt dienenden Mediums abweicht.

Nach F i g. 3 wird das Gleichgewicht der Brücke Rat, Ri. Ri. Rst durch Erfassen einer Brückenspannung AU gemessen, mit der ein Operationsverstärker /Cl gesteuert wird, der wiederum einen Transistor TRj regelt, durch den ein Strom / = /ι + h zur Brücke geführt wird.

Nach F i g. 4 sind das Widerstandselement /?sr und die Widerstandsanordnung forbzw. To sowie der Feuchtegeber iO in demselben Meßkopf nahe beieinander angeordnet.

Wenn R.\ r auf richtige Weise von der Außentemperatur Tj abhängig ist und die Verstärkung des in Fig.3 dargestellten Operationsverstärkers /Cl groß ist, kann mit der Regelvorrichtung die Temperatur T_s = f(T_a) des Feuchtegebers 10 so geregelt werden, daß ((T,) eine Funktion gewünschter Art ist. T₁ = Zj¹TJ wird so bestimmt, daß der Feuchtegeber immer einen geeignet kleineren Wert als die herrschende relative Feuchte, z. B. 0.75 χ RH (relat. Feuchte), erfaßt, wie auch bei den bisher bekannten Vorrichtungen. Außerdem kann aber auch die Temperaturabhängigkeit des Feuchtegebers durch Anwendung einer bestimmten, zweckentsprechenden anderen Abhängigkeit T = Zi(T₁) korrigiert werden.

In der Regelvorrichtung sind die Ströme der Brükkenzweige nach F i g. 3 so gewählt, daß der Strom /2 das Widerstandselement Rst heizt, das gleichzeitig als Widerstands-Temperaturfühler arbeitet und die eigene Temperatur angibt, wobei der Strom h immer so geregelt wird, daß die Gleichgewichts-Bedingung der Brükke

R] -/?2 = Rat- Rst

erfüllt wird. Die Bedingung A < h wird dadurch erfüllt, daß dafür gesorgt wird, daß die impedanz (Κ.,γ+Λ,) < (W₂+far)ist.

Eine Ausgestaltung der Regelvorrichtung besteht im Herbeiführen der gewünschten Temperaturabhängigkeit von R.\t- Zunächst kann festgestellt werden, daß ZjTJ am zweckmäßigsten eine bezüglich des Leitwerts lineare Funktion der Temperatur ist, im Gegensatz zum Stand der Technik nach Fig.A, bei dem der Widerstandswert Ra annähernd eine lineare Funktion der Temperatur ist.

Bei dieser Ausführungsform der Regelvorrichtung kann die Widerstandsanordnung aus handelsüblichen sog. thermolinearen Thermistor-Kombinationen und geeignet gewählten Widerständen gebaut werden. In einem weiten Temperaturbereich arbeitet eine Schaltung nach F i g. 5, in der Ti und T₂ Thermistoren einer handelsüblichen Thermistor-Kombination sind. Widerstände Ri und /?5 sind mitgelieferte Widerstände der Kombination oder dergleichen.

R_b und R, werden hinsichtlich der Widerstandswerte so gewählt, daß die erforderliche Beziehung T₅=Z(T₂J nach Wunsch auch unter Einbeziehung des Temperaturfaktors des Feuchtegebers 10 erreicht wird, wobei halb bestimmter Grenzen anzuzeigen.

Nach F i g. 4 besteht der Meßkopf aus einem zylinderförmigen länglichen Gehäuse 100, in dessen Innerem die elektronischen Komponenten der Vorrichtung an eine Schaltungsplattine 102 angeschlossen sind. An einem Isolierstück 101 ist ein Strahlenschutz 103 befestigt, der z. B. aus einem spiegelflächigen Plattenstück besieht. Auf der einen Seite des Schutzes 103 ist der Feuchtegeber 10 angeordnet, der mit dem als Heizwiderstand dienenden Widerstandselement Rst versehen ist. Auf der anderen Seite ist die die Außentemperatur T, erfassende Thermistor-Kombination To angeordnet, zu der die Thermistoren Ti und T: der Widerstand-Thermistor-Kombination R^r gehören. Vom Meßkopf !00 führt eine Leitung 104 zum Anzeigegerät.

Aus F i g. 7 ist außer der elektronischen Schaltung der Regelvorrichtung die elektronische Schaltung für die Messung der Kapazität Cw des Feuchtegebers 10 ersichtlich.

Im folgenden werden für die Schaltung nach Fig. 7 die Widerstandswerte, die Kapazitätswerte der Kondensatoren und die Typenbezeichnungen anderei Komponenten angegeben.

All =	350 Ω
Rn -	10 kn
Äu =	10 kn
Ä\|4 -	390 Ω
Λ.5 =	390 Ω
/?I6 =	390 Ω
ÄI7 =	2 kΩ, veränderbar
Ali -	5700 Ω. 0,1%
/?19 =	1200 Ω, 0,1%
Ä20 =	2Ω
RlI -	100Ω
«22 =	4698 Ω
K24 =	4IiOkO
Rli =	47 kΩ
Rst =	PtlOO(Heraeus)
T, = T₂ =	j YSI Thermistor 44202
C =	1OnF
C₂ =	1OnF
Cj =	1OnF
α =	19 nF
C₅ =	39 pF
α =	0,8...1OpF
C₇ =	22 nF
C₈ =	10 μΨ, Tantal
α =	1 μΡ, Tantal
TA₁ =	2N 3227
TR₂ =	2N 3227
TR₃ =	2N3904
/Cl =	LM 358

Es kann auch die temperaturabhängige Widerstandsanordnung Rat durch einen temperaturunabhängigen Widerstand ersetzt werden. Es ist ersichtlich, daß bei konstantem Widerstand Rat&c Brücke nach F i g. 3 bei einem gewissen Konstantwert T, 1 der Gebertemperatur T, im Gleichgewicht ist und T, auf dem Wert T_s! konstant bleibt, wenn T, 1 > T₁ ist Somit kann der den RH-Wert anzeigende Feuchtegeber 10 darauf geeicht werden, den Taupunkt oder die absolute Feuchte innerIn F i g. 5 und 7 sind folgende Widerstände einandei gleich: Ri= R₁₉, R* = R22, Rs = R\s und R_b=R>o-

In der Ausführungsform der Regelvorrichtung nach Fig.7 wurde als Arbeitstemperaturbereich —5°C< T_a<45°C gewählt. Die Temperatur T₁ de« Feuchtegebers 10 wird so geregelt, daß die von Feuchtegeber erfaßte Feuchte das 0.75fache dei Feuchte des zu messenden Mediums beträgt. Zu sätzlich wird die Temperaturabhängigkeit de: Feuchtegebers i0 korrigiert, die mit +0.07% RH 1°C angenommen wird. Als temperaturabhängige! Element der Widerstandsordnung Rm wurde eir Thermistor-Satz 44202 von Yellow Springs Instru

7

ments Co. Ohio, gewählt, zu dem die Thermistoren Γι und T₂ sowie die Widerstände A3 - 5700 Ω und

Ri = 12 000 Ω gehören. R_St ist ein Platintempera- ; il

turgeber PtIOO(DIN 43 760). ^A

Die angestrebte Temperaturabhängigkeit T₅ = 5 jpl C(Tj) wurde anfangs tabellisiert, wobei Tabellen

nach »Smithsonian Meteorological Table« verwen- ^

dei wurden. Danach wurde eine neue korrigierte Tabelle 7", = ^iTJ aufgestellt, in der die Korrektur der Temperaturabhängigkeit des Feuchtegebers 10 berücksichtigt ist. Aus den Brückengleichungen und den Widerstandswerten der Thermistoren T\ und T; wurden die Werte für /?* und /?6 berechnet, die die geforderte Temperaturabhängigkeit T₅ = Ci(Tj) erfüllen.

Werden für die Widerstände R₄ und R_b die Werte 4698 Ohm bzw. 2 Ohm gewählt und beträgt das Produkt aus R_t und R₃ 411 037 Ohm, ergibt sich eine theoretische Abweichung <J7", gemäß der graphischen Darstellung in F i g. 6 von der gewünsch- ten Temperatur 7", = Ct(TJ bei verschiedenen Werten der Außentemperatur T₁ im Bereich von —5°C bis 45= C.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

30

³⁵ I

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Regelvorrichtung für einen Feuchtegeber, die in Abhängigkeit von einer Impedanzänderung des Feuchtegebers arbeitet, insbesondere für einen kapazitiven Feuchtegeber mit Polymer als Isolierstoff, dessen Dielektrizitätskonstante sich als Funktion der Feuchte ändert, wobei die Regelvorrichtung die elektrische Aufheizung des Feuchtegebers auf eine Temperatur steuert, die höher ist als die Außentemperatur, und eine Brückenschaltung mit temperaturabhängigen Widerstandselementen zur Ermittlung der Außentemperatur und der Feuchtegeber-Temperatur aufweist, wobei die an der Brückenschaltung auftretende Brückenspannung als Rückführungssignal zur Regelung der Aufheizung des Feuchtegebers dient, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizwiderstand zur Aufheizung des Feuchtegebers (10) ein Vviderstandselement (Rst) mit positivem Temperaturkoeffizienten verwendet ist, das gleichzeitig als Meßfühler zum Ermitteln der Feuchtegeber-Temperatur (Ti) dient, und daß die Ermittlung der Außentemperatur (T_a) über eine Widerstandsanordnung (Rat) mit negativem Temperaturkoeffizienten erfolgt

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (Rsr) zum Ermitteln der Feuchtegeber-Temperatur aus Platin besteht

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das W*derstandselement (Rst) zum Ermitteln der Feuchtegeber-Temperatur (T₁) und die Widerstandsanordnung (Rat) in einander diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen der Brückenschaltung angeordnet sind.