CH676884A5

CH676884A5 -

Info

Publication number: CH676884A5
Application number: CH4467/88A
Authority: CH
Inventors: Rainer Herrmann; Dieter Funken
Original assignee: Endress Hauser Gmbh Co
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1988-12-01
Publication date: 1991-03-15
Also published as: DE3740719A1; GB2213271B; DE3740719C2; GB8827910D0; US4898476A; SE8804316L; JPH01295147A; GB2213271A; FR2623909B1; FR2623909A1; SE8804316D0; SE469494B; JPH0715444B2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Wasserdampf-Taupunkts in Gasen, bei weichem eine zur Anzeige der Bildung von Tautröpfchen auf einer Sensorfläche verwendete feuchteabhängige elektrische Grösse durch Regelung der Temperatur der Sensorfläche auf einem einer stabilen Taumasse zugeordneten Sollwert gehalten wird und die Temperatur der Sensorfläche gemessen wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die direkte Taupunktmessung beruht bei diesem Verfahren darauf, dass auf der Sensorfläche Wasserdampf zu Tautröpfchen kondensiert, wenn die Sensorfläche auf die Taupunkttemperatur abgekühlt wird, und dass die Kondensation aus einem zugeordneten Wert der feuchteabhängigen elektrischen Grösse erkennbar ist; die beim Einsetzen der Kondensation gemessene Temperatur der Sensorfläche ist dann die Taupunkttemperatur. Die Tautröpfchen bleiben natürlich bestehen, wenn die Temperatur der Sensorfläche unter die Taupunkttemperatur abgesenkt wird, wobei die Masse des Kondensats zeitabhängig zunimmt. Für eine kontinuierliche Anzeige der Taupunkttemperatur ist es daher erforderlich, die Temperatur der Sensorfläche gerade auf dem Wert zu halten, der dem Beginn der Taupunkt-Kondensation entspricht. Diesem Zweck dient die Temperaturregelung.

Die für die Tautröpfchen-Detektion verwendete feuchteabhängige elektrische Grösse ist sehr häufig eine Kapazität, sie kann aber beispielsweise auch ein ohmscher Widerstand oder eine Impedanz sein.

Die richtige Bestimmung des Taupunkts mit diesem Verfahren setzt voraus, dass der feuchteabhängigen elektrischen Grösse eindeutig ein Wert zugeordnet werden kann, den sie bei der Taupunkttemperatur hat, und dass der Sollwert für die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse diesem Wert entspricht. Diese Bedingungen lassen sich für einen bestimmten Sensor ohne Schwierigkeit erfüllen, solange er sauber ist. Dagegen gilt der für einen bestimmten Sensor ermittelte und eingestellte Sollwert in der Regel nicht mehr, wenn der Sensor verschmutzt ist. Verschmutzungen des Sensors verursachen infolge einer Kapillarkqndensation von Wasserdampf oder der Feuchtelöslichkeit bei öligen Verschmutzungsfilmen eine Änderung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse bereits bei Temperaturen, die weit oberhalb der Taupunkttemperatur liegen, so dass der einem sauberen Sensor entsprechende Sollwert bei einer Verschmutzung der Sensorfläche bereits bei einer Temperatur erreicht werden kann, die höher als die Taupunkttemperatur ist. Die Temperaturregelung regelt dann die Temperatur der Sensorfläche auf diese höhere Temperatur ein, die fälschlich als Taupunkttemperatur angezeigt und ausgewertet wird. Daher können Verschmutzungen erhebliche Messfehler verursachen. Um mit einem verschmutzten Sensor die Taupunkttemperatur richtig zu ermitteln, müsste der Wert bekannt sein, den die feuchteabhängige elektrische Grösse des verschmutzten Sensors beim Taupunkt hat. Dieser Wert ändert sich aber ganz erheblich in Abhängigkeit von der Art und vom Grad der Verschmutzung,

Aus der DE-PS 32 31 995 ist es bekannt, die Verschmutzung eines kapazitiven Taupunkt-Sensors dadurch festzustellen, dass der Phasenwinkel der bei Betauung bestehenden Sensorimpedanz gemessen und als Mass für die Verschmutzung verwendet wird. Durch diese Massnahme wird aber der durch die Verschmutzung verursachte Messfehler nicht beseitigt; es wird lediglich angezeigt, dass eine Reinigung des Sensors erforderlich ist, oder auch ein automatischer Reinigungsvorgang ausgelöst, wenn die gemessene Verschmutzung einen bestimmten Grenzwert übersteigt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs angegebenen Art, bei welchem die Auswirkungen von Verschmutzungen der Sensorfläche selbsttätig kompensiert werden, so dass auch mit einer verschmutzten Sensorfläche, unabhängig von der Art und vom Grad der Verschmutzung, der Taupunkt richtig gemessen wird.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass zur Einstellung des Sollwerts die Temperatur der Sensorfläche von einem oberhalb der Taupunkttemperatur liegenden Wert abgesenkt und der Absenkung eine periodische zeitliche Temperaturänderung überlagert wird, und dass bei gleichzeitigem Auftreten von periodischen zeitlichen Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Grösse der beim Wechsel der periodischen zeitlichen Änderungen zu einer monotonen Änderung gemessene Wert der feuchteabhängigen elektrischen Grösse als der Sollwert verwendet wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass verschmutzungsbedingte Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Grösse im Temperaturbereich oberhalb der Taupunkttemperatur den Temperaturänderungen der Sensorfläche folgen, während im Bereich unterhalb der Taupunkttemperatur jede Temperatur, gleichgültig ob steigend oder fallend, eine stetige Zunahme der Masse der kondensierten Tröpfchen und damit eine monotone Änderung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse verursacht Mit Hilfe der der Temperaturabsenkung überlagerten periodischen zeitlichen Temperaturänderungen können daher verschmutzungssbedingte Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Grösse von der durch die Kondensation verursachten Änderung deutlich unterschieden werden. Der Wechsel des zeitlichen Verlaufs der feuchteabhängigen elektrischen Grösse von periodischen zeitlichen Änderungen zu einer monotonen Änderung findet am Taupunkt statt, und der bei diesem Wechsel gemessene Wert der feuchteabhängigen elektrischen Grösse ist als Grösse für die Verschmutzung der Sensorfläche erkenn- und auswertbar. Wenn dieser Wert als Sollwert für die feuchteabhängige elektrische Grösse verwendet wird, wird die Temperatur der Sensorfläche richtig auf dem Taupunkt gehalten.

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Da sich die Verschmutzung der Sensorfläche in der Regel nur langsam ändert, genügt es, wenn die Ermittlung und Einstellung des Sollwerts in grösseren Zeitabständen erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Messung des Wasserdampf-Taupunkts in Gasen besteht darin, dass die Regelparameter für die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse aufgrund einer Analyse von Schwingungen der Regelgrösse der feuchteabhängigen elektrischen Grösse fortlaufend korrigiert werden.

Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse stets in optimaler Weise ablaufen zu lassen. Bei einer Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse mit fest eingestellten Regelparametern ist es nicht möglich, ohne Eingriffe von aussen im gesamten Bereich der zu erfassenden Taupunkttemperaturen Instabilitäten oder ein ungünstiges Regelverhalten zu vermeiden. Durch die erfindungsgemässe Schwingungsanalyse können die Regelparameter fortlaufend so korrigiert werden, dass erkannte Instabilitäten beseitigt werden und ein optimales Regelverhalten erzielt wird.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit einem Taupunkt-Sensor, der ein die Sensorfläche aufweisendes elektrisches Sensorelement, das ein von der feuchteabhängigen elektrischen Grösse abhängiges elektrisches Signal liefert, eine die Temperatur der Sensorfläche beeinflussende elektrische Heiz- und Kühleinrichtung und einen elektrischen Temperatursensor, der ein von der Temperatur der Sensorfläche abhängiges elektrisches Signal liefert, aufweist, und mit einer an den Taupunkt-Sensor angeschlossenen Regelanordnung, die das feuchteabhängige elektrische Signal als Regelgrösse empfängt und zu der elektrischen Heiz- und Kühleinrichtung eine Stellgrösse liefert, durch die das feuchteabhängige elektrische Signal auf einem Sollwert gehalten wird, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung einen Führungsregler und einen Folgeregler enthält, die in Kaskade angeordnet sind, dass der Führungsregler das feuchteabhängige elektrische Signal als Regelgrösse und den Sollwert des feuchteabhängigen elektrischen Signals als Führungsgrösse empfängt und ein Temperatursollwertsignal abgibt und dass der Folgeregler das vom Führungsregler gelieferte Temperatursollwertsignal als Führungsgrösse und das vom Temperatursensor gelieferte temperaturabhängige Signal als Regelgrösse empfängt und die Stellgrösse zu der elektrischen Heiz- und Kühleinrichtung liefert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung und der Anordnung zu seiner Durchführung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet:

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Anordnung zur Messung des Wasserdampf-Taupunkts in Gasen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Sensorelement, clas in der Anordnung von Fig. 1 verwendet werden kann,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil des Sensorelements von Fig. 2 in grösserem Massstab, Fig. 4 einen möglichen zeitlichen Verlauf des feuchteabhängigen elektrischen Signals in der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 5 Diagramme zur Erläuterung der Schwingungsanalyse, die in der Anordnung von Fig. 1 durchgeführt wird,

Fig. 6 Diagramme von verschiedenen Schwingungsformen des feuchteabhängigen elektrischen Signals, die in der Anordnung von Fig. 1 vorkommen können,

Fig. 7 den Zusammenhang zwischen der Sensorkapazität und der Sensortemperatur bei einem sauberen Taupunkt-Sensor und bei einem verschmutzten Taupunkt-Sensor,

Fig. 8 Diagramme zur Erläuterung des Prinzips, das bei der Einstellung des Sollwerts zur Erzielung einer verschmutzungsunabhängigen Temperaturregelung in der Anordnung von Fig. 1 angewendet wird,

Fig. 9 Diagramme des zeitlichen Ablaufs eines in der Anordnung von Fig. 1 durchgeführten Zyklus zur Verschmutzungskompensation,

Fig. 10 den aus den Diagrammen von Fig, 9 entnehmbaren Zusammenhang zwischen der Sensorkapazität und der Sensortemperatur bei einem verschmutzten Taupunkt-Sensor und

Fig. 11 einen Teilabschnitt des zeitlichen Ablaufs des in Fig. 9 dargestellten Zyklus der Verschmutzungskompensation.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur direkten Messung des Wasserdampf-Taupunkts in Gasen enthält einen Messwertaufnehmer 10 mit einem elektrischen Sensorelement 12, das auf einem als Heiz-und Kühleinrichtung dienenden Peltierelement 14 angebracht ist, und mit einem auf die Oberflächentemperatur des Sensorelements 12 ansprechenden Temperatur-Sensor 16. Das Peltierelement 14 ist auf einem Träger 18 angebracht.

Bei der direkten Taupunktmessung wird zur Bestimmung des Wassergehalts eines Gases das nichtideale Gasverhalten von Wasserdampf ausgenutzt, nämlich die Fähigkeit zur Kondensation "infolge der zwischenmolekularen Anziehungskräfte, wenn das Gas an der Oberfläche des Sensorelements 12 bis zu einer bestimmten Temperatur abgekühlt wird, die die Taupunkttemperatur ist. Die Beziehung zwischen dem Wasserdampf-Partialdruck des Gases und der Kondensationstemperatur (Taupunkttemperatur) ist

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durch die Sättigungsdampfdruckkurve gegeben; sie ist die Grundlage zur Umrechnung der direkten Messgrösse «Taupunkttemperatur» in alle anderen Feuchtegrössen.

Zur Taupunktmessung wird die Oberfläche des Sensorelements 12 dem zu messenden Gas ausgesetzt, indem entweder der Messwertaufnehmer 10 unmittelbar im Prozess angeordnet wird, oder indem Gas aus dem Prozess entnommen und in eine Messkammer eingeleitet wird, in der der Messwertaufnehmer 10 angeordnet ist. Mit Hilfe des Peltierelements 14 wird das Sensorelement 12 abgekühlt, bis sich auf seiner Oberfläche durch Kondensation von Wasserdampf Tautröpfchen bilden. Das Auftreten von Kondensation wird mittels des Sensorelements 12 festgestellt; die gleichzeitig mit Hilfe des Temperatur-Sensors 16 gemessene Temperatur ist die Taupunkttemperatur. Bei weiterer Abkühlung des Sensorelements 12 auf noch niedrigere Temperaturen nimmt die Grösse der Tautröpfchen und damit die Masse des kondensierten Wassers zu, doch sind die dann gemessenen Temperaturen für die Feuchtegrössen des Gases nicht mehr aussagekräftig. Es kommt also darauf an, möglichst genau die Sensortemperatur beim Einsetzen der Kondensation zu erfassen. Für eine kontinuierliche Taupunktmessung wird die Sensortemperatur durch Temperaturregelung ständig auf dem Wert der Taupunkttemperatur gehalten, indem eine vorbestimmte Masse des kondensierten Wassers aufrechterhalten wird. Die in Fig. 1 dargestellten, mit dem Messwertaufnehmer 10 verbundenen elektronischen Schaltungen dienen der Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse sowie der Temperaturregelung.

Das elektrische Sensorelement 12 muss so beschaffen sein, dass es sowohl die Entstehung von Tautröpfchen beim Erreichen der Taupunkttemperatur als auch die Einhaltung einer vorbestimmten Masse kondensierten Wassers mit möglichst grosser Genauigkeit und Empfindlichkeit erkennen und kontrollieren lässt. Zu diesem Zweck muss sich wenigstens eine elektrische Eigenschaft des Sensorelements in signifikanter Weise in Abhängigkeit von der Bildung der Masse des kondensierten Wassers ändern. Es sind verschiedene Arten von elektrischen Sensorelementen bekannt, die für diesen Zweck mehr oder weniger gut geeignet sind. Sehr oft ist die elektrische Eigenschaft, die zum Nachweis der Bildung von Kondensat verwendet wird, die Kapazität zwischen zwei Sensorelektroden, die bei Bedeckung der Sensorelektroden mit Kondensat gegenüber dem Wert im trockenen Zustand wegen der höheren Dielektrizitätskonstante von Wasser sprunghaft ansteigt. Bei anderen Sensorelementen wird die Zunahme der Leitfähigkeit zwischen zwei durch das Kondensat verbundene Elektroden detektiert. Schliesslich ist es auch bekannt, durch Messung der Impedanz des Sensorelements die ohmsche Komponente und die kapazitive Komponente gemeinsam zur Detektierung der Kondensation heranzuziehen.

Für die in Fig. 1 dargestellte Taupunkt-Messanordnung ist das in der älteren deutschen Patentanmeldung P 37 20 189.1-52 beschriebene Sensorelement besonders gut geeignet. Fig. 2 zeigt eine sehr vereinfachte Draufsicht auf das in dieser Weise ausgebildete Sensorelement 12, und Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil dieses Sensorelements in grösserem Massstab. Dieses Sensorelement weist ein Substrat 112 auf, das aus einem feuchfrgkeitsunempfindlichen Isoliermaterial besteht. Wie Fig. 3 erkennen lässt, ist das Substrat 112 unter Einfügung einer Trennschicht 114 aus Aluminium auf dem Peltierelement 14 angebracht. Die der Trennschicht abgewandte freie Oberseite des Substrats 112 bildet die Sensorfläche 118, die dem Gas ausgesetzt ist, dessen Wasserdampf-Taupunkt gemessen werden soll, so dass sich darauf bei Abkühlung auf die Taupunkttemperatur durch Kondensation Tautröpfchen bilden.

Auf der Sensorfläche 118 sind zwei Elektrodenstrukturen 120 und 130 gebildet, die in Fig. 2 der Deutlichkeit wegen sehr vereinfacht dargestellt sind. Die Elektrodenstruktur 120 hat die Form eines Kammes mit einer Anzahl von parallelen Zähnen 122, die am einen Ende mit einem senkrecht dazu verlaufenden Steg 124 verbunden sind. Am Ende des Stegs 124 ist eine verbreiterte Kontaktfläche 126 angeformt, die zur Kontaktierung eines Anschlussleiters dient, über den die Elektrodenstruktur 120 mit der elektronischen Schaltung des Taupunkt-Messgeräts verbunden wird. Die Elektrodenstruktur 130 besteht in völlig gleicherweise, aber spiegelbildlicher Anordnung, aus Zähnen 132, einem Steg 134 und einer Kontaktfläche 136. Die Zähne 122 und 132 der beiden Elektrodenstrukturen liegen in einem kleinen zentralen Bereich des Substrats 112, der den eigentlichen für den Messvorgang empfindlichen Sensorbereich bildet. Die Zähne 122 und 132 sind abwechselnd ineinandergreifend angeordnet, wobei die Zähne 122 der Elek-trodenstruktur 120 in den Zwischenräumen zwischen den Zähnen 132 der Elektrodenstruktur 130 und umgekehrt die Zähne 132 der Elektrodenstruktur 130 in den Zwischenräumen zwischen den Zähnen 122 der Elektrodenstruktur 120 liegen. Jeweils zwei parallel nebeneinanderliegende Zähne stellen also Elektrodenabschnitte dar, die zu verschiedenen Elektrodenstrukturen gehören. Die Zwischenräume zwischen den Zähnen jeder Elektrodenstruktur sind so breit, dass in jedem Zwischenraum ein Zahn der anderen Elektrodenstruktur mit ausreichendem Abstand von den beiden benachbarten Zähnen aufgenommen werden kann. Dies ist insbesondere aus Fig. 3 zu erkennen, die in einem gegen die Darstellung von Fig. 2 vergrösserten Massstab einen Schnitt durch mehrere nebeneinanderliegende Zähne 122,132 der beiden Elektrodenstrukturen 120 bzw. 130 zeigt.

Jeder Zahn 122 und 132 der beiden Elektrodenstrukturen 120,130 ist mit einer feuchtigkeitsunempfind-lichen Isolierschicht 140 überzogen, die alle freien Flächen des Zahns vollständig bedeckt. Die Zähne 122 und 132 sind also einerseits durch das isoliermateriai des Substrats 112 und andererseits durch die Isolierschicht 140 vollständig von dem Gas getrennt, dessen Taupunkt gemessen werden soll. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform besteht zwischen den Isolierschichten, die zwei benachbarte Zähne bedecken, jeweils ein Spalt 142, der bis zur Oberfläche des Substrats 112 durchgeht.

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Die Elektrodenstrukturen 120 und 130 sowie die die Zähne bedeckende Isolierschicht 140 können auf dem Substrat 112 nach einem der üblichen Verfahren hergestellt werden, die aus der Dünnfilmtechnik und aus der Leiterplattentechnik bekannt sind. Die Elektrodenstrukturen 120,130 werden beispielsweise auf fotolithografischem Weg aus einem geeigneten Metallbelag, beispielsweise aus Tantal oder Platin, gebildet, Die Isolierschicht 140 muss aus einem chemisch stabilen, elektrisch isolierenden und völlig feuchtigkeitsunempfindlichen Material bestehen. Hierfür kommen Glas, Lack oder auch ein geeignetes Metalloxid in Frage. Das Material der Isolierschicht kann nach einem der bekannten Verfahren auf die Elektrodenstrukturen aufgebracht werden. Wenn das Oxid des für die Elektrodenstrukturen 120, 130 verwendeten Metalls die erforderlichen Eigenschaften aufweist, kann die Isolierschicht 140 gegebenenfalls auch durch Oberflächenoxidation des Leitermetalls gebildet werden.

Zur Verdeutlichung ist in Fig. 2 die Anzahl der Zähne in jeder Elektrodenstruktur übertrieben klein und der Abstand zwischen den benachbarten Zähnen übertrieben gross dargestellt.

In Wirklichkeit hat jede Elektrodenstruktur 120, 130 eine sehr viel grössere Anzahl von Zähnen. Ein besonders wichtiges Merkmal dieses Sensorelements ist die Bemessung des Abstands zwischen den nebeneinanderliegenden Zähnen: er ist kleiner als 50 jim und beträgt vorzugsweise etwa 20 um. Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform eines nach dem Prinzip von Fig. 2 und 3 hergestellten Sensorelements bestehen die Elektrodenstrukturen 120,130 aus Tantal, das auf ein Substrat 112 aus Aluminiumoxid aufgebracht ist. Jede Elektrodenstruktur hat einen Kamm aus 50 Zähnen mit einer Breite von 21 um und einer Länge von 2 mm. Der Abstand zwischen den ineinandergreifenden Zähnen der beiden Elektrodenstrukturen beträgt 19 um. Der von den beiden ineinandergreifenden Kammstrukturen gebildete eigentliche Sensorbereich nimmt daher nur eine Fläche von 2 x 4 mm ein. Die Isolierschicht 140 besteht aus hochverdichtetem und dadurch feuchtigkeitsunempfindlichem Tantaloxid, das in einer Dicke von 160 nm durch Oberflächenoxidation des Tantals der Elektrodenstrukturen gebildet ist.

Die Funktionsweise dieses Sensorelements beruht darauf, dass der Abstand zwischen den nebeneinanderliegenden Zähnen der beiden Elektrodenstrukturen von der GrÖssenordnung der grössten sich beim Erreichen der Taupunkttemperatur bildenden Kondensationströpfchen oder sogar kleiner ist. Dadurch wird erreicht, dass die ersten sich beim Erreichen der Taupunkttemperatur bildenden Kondensationströpfchen sofort die ganze Breite der Spalte 142 zwischen den benachbarten Zähnen 122 und 132 ausfüllen. Wie in der älteren Patentanmeldung ausführlich beschrieben ist, hat dies eine sprunghafte Änderung der zwischen den beiden Elektrodenstrukturen gemessenen Impedanz zur Folge, weil die Kondensationströpfchen von verhältnismässig grossem Leitwert die verhältnismässig kleinen Kapazitäten der Spalte 142 gewissermassen kurzschliessen und eine leitende Verbindung zwischen den wesentlich grösseren Kapazitäten der die Zähne bedeckenden Isolierschichten 140 herstellen. Durch Messung der Impedanz zwischen den beiden Elektrodenstrukturen kann daher das Erreichen der Taupunkttemperatur schon bei der Bildung der ersten Kondensationströpfchen festgestellt werden, noch bevor sich eine zusammenhängende Tauschicht gebildet hat.

Anstelle der Impedanz kann auch die Kapazität Cf des Sensorelements gemessen werden. Diese geht von dem Trocken-Kapazitätswert Co beim Erreichen der Taupunkttemperatur auf den wesentlich grösseren Taupunkt-Kapazitätswert Ci. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Taupunkt-Messanordnung wird mit dieser Messung der Sensorkapazität Cf gearbeitet.

Der Messwertaufnehmer 10 hat einen ersten Anschluss 10a, an dem ein elektrisches Signal Sz zur Verfügung steht, das von der feuchteabhängigen elektrischen Grösse des Sensorelements 12 abhängt, bei Verwendung des in Fig. 2 und 3 dargestellten Sensorelements also von dessen Impedanz Z. An den Anschluss 10a ist eine Impedanzauswerteschaltung 20 angeschlossen, die aus dem Signal Sz ein für die Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal bildet, das die für die Taupunktdetektion 'verwendete feuchteabhängige elektrische Grösse darstellt, im vorliegenden Fall also die Sensorkapazität Cf. Zur Vereinfachung wird dieses Signal ebenfalls mit Cf bezeichnet.

Der Messwertaufnehmer 10 hat einen zweiten Anschluss 10b, an dem ein elektrisches Signal St zur Verfügung steht, das von der temperaturabhängigen elektrischen Grösse des Temperatur-Sensors 16 abhängt. Der Temperatur-Sensor 16 kann beispielsweise ein Thermoelement sein, das eine temperaturabhängige Spannung liefert, oder ein Widerstands-Thermometer, dessen ohmscher Widerstand sich in dem zu erfassenden Temperaturbereich mit der Temperatur ändert. Bei dem dargestellten Beispiel wird angenommen, dass der Temperatur-Sensor 16 ein Platin-Widerstandsthermometer in Dünnfilm-Technologie vom Typ PT100 ist. Demzufolge ist das am Anschluss 10b verfügbare elektrische Signal Sj vom Widerstand des Temperatur-Sensors 16 abhängig. An den Anschluss 10b ist eine Temperaturauswerte-schaltung 22 angeschlossen, die aus dem Signal St ein für die Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal bildet, das die vom Temperatur-Sensor 16 gemessene Temperatur Tf der Oberfläche des Sensorelements 12 darstellt. Zur Vereinfachung wird dieses Signal ebenfalls mit Tf bezeichnet.

Die Ausgänge der Impedanzauswerteschaltung 20 und der Temperaturauswerteschaltung 22 sind mit zwei Eingängen 30a bzw. 30b eines Mikrocomputers 30 verbunden, wobei, falls erforderlich, jeweils ein Analog-Digital-Umsetzer eingefügt sein kann. Im Mikrocomputer 30 wird die Sensortemperatur Tf mit einem im Mikrocomputer berechneten Solltemperatunwert Ts verglichen, wie durch ein Vergleichsschaltungssymbol 31 angedeutet ist. Der durch den Vergleich erhaltene Differenzwert Ts-Tf wird in einem

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Funktionsblock 32, der die Funktion eines Temperaturreglers hat, zur Erzeugung eines Temperaturre-geisignats St verwendet, das an einem Ausgang 30c des Mikrocomputers 30 abgegeben wird.

Der Funktionsblock 32 ist natürlich, wie auch die übrigen dargestellten Funktionsblöcke, im Mikrocomputer 30 nicht konkret vorhanden; die Funktionsblöcke repräsentieren vielmehr verschiedene Programmroutinen des Mikrocomputers.

Ein an den Ausgang 30c des Mikrocomputers 30 angeschlossener Digital-Analog-Umsetzer 24 setzt das Temperaturregelsignal St in eine Spannung Ut um, die dem Eingang einer Leistungs-Endstufe 25 zugeführt wird, die den Strom lp für das Peltierelement 14 zu einem dritten Anschluss 10c des Messwertaufnehmers 10 liefert. Dieser Strom lp ist bekanntlich, je nach seiner Polarität, entweder ein Heizstrom oder ein Kühlstrom. Durch die zur Leistungs-Endstufe 25 gelieferte Spannung Ut wird der Peltier-Strom lp so eingestellt, dass die Differenz Ts-Tf zu Null wird. Nach einem bekannten Verfahren kann der Peltier-Strom lp zu diesem Zweck periodisch umgepolt werden, so dass er abwechselnd als Heizstrom und als Kühlstrom wirkt, wobei die Spannung Ut das Tastverhältnis so bestimmt, dass sich eine mittlere Sensortemperatur Tf einsteilt, die gleich der Solltemperatur Ts ist. Die Bestandteile 12,16, 22,31,32,24,25, 14 bilden also einen Temperaturregelkreis, der die Sensortemperatur Tp ständig der Solltemperatur Ts nachregelt. In diesem Temperaturregelkreis ist die Sensortemperatur Tf die Regelgrösse, die Solltemperatur Ts die Führungsgrösse und der Peltier-Strom lp die Stellgrösse.

Wenn dafür gesorgt wird, dass die Solltemperatur Ts gleich der Taupunkttemperatur Tp ist, wird durch diese Temperaturregelung die Sensortemperatur Tf ständig auf dem Wert der Taupunkttemperatur Tp gehalten. Eine an den Ausgang der Temperaturauswerteschaltung 22 angeschlossene Temperaturanzeige 26 zeigt dann im eingeregelten Zustand die Taupunkttemperatur an.

Der Mikrocomputer 30 kann in herkömmlicher Weise die gemessene Taupunkttemperatur Tp, die durch das Signal Tf im eingeregelten Zustand angegeben wird, zur Gewinnung aller gewünschten Feuchtegrössen verarbeiten, wie durch einen Funktionsblock 33 dargestellt ist. Zu diesem Zweck ist die Sättigungsdampfdruckkurve als Tabelle im Mikrocomputer 30 abgespeichert. Diese Auswertung der Taupunkttemperatur ist allgemein bekannt und wird daher nicht weiter erläutert.

Bei der Taupunkt-Messanordnung von Fig. 1 ist der Mikrocomputer 30 zusätzlich zu seinen herkömmlichen Aufgaben in die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse einbezogen, die die Sensortemperatur Tf zur Erzielung einer stabilen Masse des kondensierten Wassers der Oberfläche des Sensorelements 12 regelt. Zu diesem Zweck wird im Mikrocomputer 30 die dem Eingang 30a zugeführte Sensorkapazität Cf mit einem im Mikrocomputer berechneten, dem Taupunkt zugeordneten Kapazitätssollwert Ci verglichen, wie durch ein weiteres Vergleichsschaltungssymbol 34 angedeutet ist. Der durch den Vergleich erhaltene Differenzwert Of-Gi wird in einem Funktionsblock 35, der die Funktion eines als PID-Regler ausgebildeten Reglers der feuchteabhängigen elektrischen Grösse erfüllt, zur Erzeugung des Solltemperaturwerts Ts verwendet, das für den Vergleich in der symbolisch dargestellten Vergleichsschaltung 31 verwendet wird. Die Solltemperatur Ts wird durch die Regelung im Funktionsblock 35 so eingestellt, dass die Differenz Cf-Ci zu Null gemacht wird, dass also die Sensorkapazität Cf den Taupunkt-Kapazitätssollwert Ci annimmt. Unter der Voraussetzung, dass der Kapazitätssollwert Ci der Sensorkapazität bei der wahren Taupunkttemperatur entspricht, wird auf diese Weise die Sensortemperatur Tf durch Regelung auf der Taupunkttemperatur Tp gehalten. Durch Anzeige der vom Temperatursignal Tf dargestellten Temperatur in einer Temperatur-Anzeige 26 wird dann im eingeregelten Zustand die Taupunkttemperatur Tp angezeigt.

Es besteht also ein zweiter Regelkreis, der vom Sensorelement 12 über die Impedanzauswerteschat-tung 20 und die Funktionsblöcke 34, 35 des Mikrocomputers 30 zum Temperaturregelkreis verläuft. Im zweiten Regelkreis ist die Sensorkapazität Cf die Regelgrösse und der Taupunkt-Kapazitätssollwert Ci die Führungsgrösse. Die Stellgrösse Ts des zweiten Regelkreises bildet zugleich die Führungsgrösse des Temperaturregelkreises. Es handelt sich also um eine Kaskadenregelung, wobei der äussere zweite Regelkreis den inneren Temperaturregelkreis einschliesst. Der durch den Funktionsblock 35 repräsentierte Regler der feuchteabhängigen elektrischen Grösse des äusseren Regelkreises wirkt als Führungsregler, und der Temperaturregler 32 des inneren Regelkreises wirkt als Folgeregler.

Die innere Regelung bewirkt, dass die Oberflächentemperatur Tf des Sensorelements 12 in möglichst kurzer Zeit dem Solltemperaturwert Ts, den der Regler 35 vorschreibt, nachfolgt. Die Regelparameter des Temperaturreglers 26 bleiben im gesamten Temperaturbereich auch unter unterschiedlichsten Einsatzbedingungen konstant. Eine wesentliche Bedingung für diese innere Temperaturregelung ist, dass sie schneller abläuft als die äussere Regelung.

Die äussere Regelung, die die Kapazität Cp (oder allgemein die verwendete feuchteabhängige elektrische Grösse) des Messwertaufnehmers 10 durch die Veränderung der Sensortemperatur Tf regelt, dient der eigentlichen Taupunktermittlung.

Wenn der Messwertaufnehmer 10 nicht unmittelbar im Prozess angeordnet ist, sondern in einer Messkammer, in die aus dem Prozess entnommenes Gas eingeleitet wird, dient die aktuelle Sensortemperatur Tf auch als Sollwert für eine parallele Regelung der Messkammertemperatur, die durch den Schal6

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tungsblock 28 dargestellt ist. Diese Regelung erfolgt derart, dass die Messkammertemperatur um einen vorgegebenen Betrag über der Sensortemperatur gehalten wird, wobei dieser Betrag für verschiedene Temperaturbereiche der Sensortemperatur verschieden sein kann. Durch die Messkammertemperatur-regelung 28 wird parallel zu der Temperatur der Messkammer auch die Temperatur der Rohrbegleithei-zung geregelt.

Mit Hilfe der beschriebenen Kaskadenregelung werden die Eigenschaften der wesentlich einfacheren Temperaturregelung zur Vereinfachung der Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse ausgenutzt:

a) Störungen infolge von Gastemperaturänderungen bleiben auf die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse ohne Einfluss, da sie von der separaten inneren Temperaturregelung abgefangen werden.

b) Die Rückkopplung innerhalb der Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse durch Veränderung der Energiebilanz an der Sensoroberfläche infolge von Wasserdampfkondensation (oder Verdampfung) wird durch die separate innere Temperaturregelung aufgehoben, denn Veränderungen in der Energiebilanz werden vom separaten Temperaturregler aus geregelt.

Die Einbeziehung des Mikrocomputers 30 in die Regelkreise ermöglicht eine selbsttätige Beeinflussung der Regelung zur Ausschaltung von Störeinflüssen und zur Erzielung eines optimalen Regelverhaltens. Zu diesem Zweck erfüllt der Mikrocomputer 30 insbesondere die folgenden Funktionen:

1. Die Regelparameter der PID-Regelung 35 werden je nach der Dynamik der Regelstrecke vom System selbstoptimierend bestimmt.

2. Der Sollwert für den dem Taupunkt entsprechenden Wert der feuchteabhängigen elektrischen Grösse des Sensors 10, beim beschriebenen Beispiel also der Wert Ci der Sensorkapazität Cf, wird vom System selbsttätig so bestimmt, dass Verschmutzungen des Sensors, die zu Fehlmessungen führen würden, kompensiert werden.

3. In dem Verschmutzungskompensationszyklus wird gleichzeitig die Zeitkonstante Tzi des Folgereglers 32 für die Regelung der Temperatur des Peltierelements 14 bestimmt; zu diesem Zweck ist der Mikrocomputer 30 in den inneren Temperaturregelkreis einbezogen.

Diese Funktionen werden nachfolgend beschrieben.

Selbstoptimieruna der Tauounktreaeluna

Im Normalzustand der Regelung wird von der durch den Funktionsblock 35 dargestellten PID-Regelung in zeitlich konstanten Zyklen mit einer Zykluszeit Atx von etwa 0,5 bis 1 s jeweils ein neuer Temperatursollwert Ts festgelegt, der sich vom vorhergehenden Sollwert T's um eine Sollwertänderung aTs unterscheidet:

Ts = T's + aTs (1)

Für die Sollwertänderung aTs pro Zyklus gilt die folgende Gleichung ATs = Ki ■ (Cf-Ci) • a tx+Kp » a (Cf-Ci) +Kd • a^ Cp—C-j)/ atx (2)

Darin sind Ki, Kp, Kd die Regelparameter für die Integral-, Proportional- bzw. Differentialregelung der PID-Regelung des Funktionsblocks 35. Die Besonderheit der dargestellten Messanordnung besteht darin, dass die Regelparameter Ki, Kp, Kd nicht fest eingestellt sind, sondern vom System in Abhängigkeit vom Zeitverhalten der Regelstrecke verändert werden.

Eine Korrektur der Regelparameter wird immer dann vorgenommen, wenn die in einem Zyklus Atx bestimmte Sollwertkorrektur aTs zu gross ist, und deshalb das System zu oszillieren beginnt, oder wenn sie so klein ist, dass die Kondensations- oder Verdampfungsprozesse mit der Feuchteänderung im Gas nicht mehr mitkommen.

Die Korrektur der Regelparameter erfolgt durch eine Programmroutine, die in Fig. 1 durch einen Funktionsblock 36 dargestellt ist, aufgrund des Ergebnisses einer durch den Funktionsblock 37 dargestellten Schwingungsanalyse des Regelkreises. Fig. 4 zeigt als Beispiel eine abklingende Schwingung der Sensorkapazität Cf um den Sollwert Ci. Die Schwingung hat die Schwingungsdauer tM und zwei aufeinanderfolgende positive Amplituden Ca, Cb, zwischen denen eine negative Amplitude Cc liegt. Aus den Werten tm, Ca und Cb können der Realteil P2R und der Imaginärteil Pzj des Poles der Übertragungsfunktion der Taupunktregelung nach den folgenden Gleichungen berechnet werden:

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(3)

(4)

Diese Beziehungen gelten unabhängig davon, ob die Schwingung von Cf abklingt, ob sie sich gerade aufschaukelt oder ob sie mit konstanter Amplitude besteht.

Die durch den Funktionsblock 37 dargestellte Schwingungsanalyse wird sowohl im Einlaufprozess bei jeder Inbetriebnahme des Geräts als auch im normalen Regelprozess in jedem Atx-Zyklus aufgerufen. Als Ergebnis der Schwingungsanalyse liefert der Funktionsblock 37 die Werte der beiden Schwingungsparameter PàR und Psj zum Funktionsblock 36.

Anstelle der Schwingung der Sensorkapazität Cf im äusseren Regelkreis kann ebensogut die Schwingung der Sensortemperatur Tf im inneren Regelkreis zur Schwingungsanalyse herangezogen werden. Die folgende Beschreibung gilt sinngemäss auch für diesen Fall.

Es besteht das Problem, aus digitalen Abtastwerten der Sensorkapazität Cf oder der Sensortemperatur Tf die Maxima und Minima der Schwingungskurve richtig zu erkennen, so dass zufällige Schwankungen von echten Schwingungen unterschieden werden können und auch Langzeitschwingungen erfasst werden. Zur Lösung dieses Problems erfolgt die Schwingungsanalyse im Funktionsblock 37 durch eine «Dreidifferentialmethode», die anhand der Diagramme von Fig. 5 erläutert wird.

Das Diagramm A von Fig. 5 zeigt aufeinanderfolgende digitale Abtastwerte, die in gleichmässigen Zeitabständen aus der Sensorkapazität Cf als Funktion der Zeit darstellenden Analogkurve entnommen sind. Die Abtastwerte sind durch gerade Strecken verbunden, wodurch die Analogkurve näherungsweise nachgebildet ist. Die Schwingung verläuft etwa sinusförmig um einen Mittelwert Cm.

Im Diagramm B ist das Vorzeichen der Steigung der Kurvenabschnitte zwischen den aufeinanderfolgenden Abtastwerten dargestellt, das auch das Vorzeichen des Differentials der entsprechenden Abschnitte der Analogkurve ist. Der Wert +1 entspricht dem positiven Vorzeichen, also einem ansteigenden Kurvenabschnitt, und der Wert -1 entspricht dem negativen Vorzeichen, also einem abfallenden Kurvenabschnitt. Das Vorzeichen kann für jeden Kurvenabschnitt erst festgestellt werden, wenn der zweite Abtastwert vorliegt' deshalb fällt ein Vorzeichenwechsel, der für den vorhergehenden Kurven-abschnitt gilt, im Diagramm B zeitlich mit dem zweiten Abtastwert dieses Kurvenabschnitts im Diagramm A zusammen.

Der erste Abtastwert des Diagramms A liegt im Ursprung des Koordinatensystems. Im Diagramm B ist angenommen, dass die Steigung des davorliegenden Kurvenabschnitts (der im Diagramm A nicht dargestellt ist) ein positives Vorzeichen hatte. Dieses positive Vorzeichen entspricht im Diagramm B dem Wert +1, der festgehalten wird, bis der zweite Abtastwert vorliegt. Im Zeitpunkt des zweiten Abtastwerts wird festgestellt, dass die Steigung des Kurvenabschnitts zwischen dem ersten und dem zweiten Abtastwert ebenfalls ein positives Vorzeichen hatte. Deshalb wird im Diagramm B zwischen dem zweiten und dem dritten Abtastwert weiterhin der Wert +1 festgehalten, obwohl der Kurvenabschnitt zwischen diesen beiden Abtastwerten abfällt, also eine negative Steigung hat.

Erst beim Vorliegen des dritten Abtastwerts kann festgestellt werden, dass der vorangehende Kurvenabschnitt eine negative Steigung hatte. Deshalb geht die Vorzeichenkurve des Diagramms B im Zeitpunkt des dritten Abtastwerts nach dem Wert -1, der nun bis zum Vorliegen des vierten Abtastwerts festgehalten wird, obwohl die Steigung zwischen dem dritten und dem vierten Abtastwert wieder positiv ist. Der erneute Vorzeichenwechsel wird erst im Zeitpunkt des vierten Abtastwerts festgestellt, so dass in diesem Zeitpunkt die Kurve des Diagramms B wieder vom Wert -1 auf den Wert +1 geht. Die weitere Entstehung der Vorzeichenkurve des Diagramms B aus den Abtastwerten des Diagramms A ist aufgrund der vorstehenden Erläuterung ohne weiteres verständlich.

Ein bleibender Vorzeichenwechsel der Steigung der Schwingungskurve zeigt einen Extremwert (Minimum oder Maximum) an. Ein solcher bleibender Vorzeichenwechsel muss von sporadischen Vorzeichenwechseln unterschieden werden, die durch kurzzeitige Störungen im Kurvenverlauf auftreten. So ist im Diagramm A zwischen dem ersten und dem zweiten Kurvenabschnitt ein Vorzeichenwechsel erkennbar, der jedoch durch einen erneuten Vorzeichenwechsel zwischen dem zweiten und dem dritten Kurvenabschnitt wieder rückgängig gemacht wird. Um zu verhindern, dass solche sporadische Vorzeichenwechsel fälschlich als Extremwerte interpretiert werden, wird im Mikrocomputer 30 eine Zählvariable Ee in Abhängigkeit von den Vorzeichenwechseln des Diagramms B so eingestellt, wie im Diagramm C dargestellt ist.

Bei jedem Vorzeichenwechsel des Diagramms B, der einem Extremwert entsprechen könnte, wird die Zählvariable Ee um «1 » vergrössert. Sie wird aber bei einem unmittelbar darauffolgenden Vorzeichen-

ln(Ca/CB)

P2R 1 (Schwingungsdekrement}

M .

^2J """ (Schwingungskreisfrequenz)

M

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Wechsel wieder um «1» verringert. Wenn dagegen auf den einen Extremwert ankündigenden Vorzeichen-Wechsel im nächsten Kurvenabschnitt kein erneuter Vorzeichenwechsel folgt, wird der Extremwert dadurch bestätigt, dass der Zählwert Ee erneut um «1 » vergrössert wird.

Aus dem Diagramm C Ist ersichtlich, dass das erste Maximum dann erreicht ist, wenn die Zählvariable den Wert Ee = 2 erreicht hat Nun wird der dem vorhergehenden Vorzeichenwechsel entsprechende Abtastwert Cai festgehalten, und ab dem Zeitpunkt dieses Vorzeichenwechsels wird die Zeit zur Messung der Schwingungsdauer gezählt.

Das Minimum der Schwingung ist für Ee = 4 erreicht, und das zweite Maximum ist für Ee = 6 erreicht. Bei dem diesem zweiten Maximum entsprechenden Vorzeichenwechsel wird der zugehörige Abtastwert Cbi festgehalten und die Zeitmessung beendet. Die gemessene Zeit ist die Schwingungsdauer tw. Die Schwingungsamplituden der beiden Maxima ergeben sich aus den Abtastwerten:

CA = Cai—Cm (5)

Cb = Cbi—Cm (6)

Ist Cet der Abtastwert im Minimum der Schwingung, so ergibt sich der Mittelwert der Schwingung gemäss c _ °A1 * CB1 ~ CC1 m " CA1 + <TB1 " 2CC1 <7)

Damit stehen alle erforderlichen Werte für die Berechnung der Schwingungsparameter P2R und P2J zur Verfügung.

In der Regel wird das zweite Maximum wieder als Ausgangspunkt für eine neue Schwingungsmessung verwendet. Die Zählvariable wird daher nicht auf «0» zurückgestellt, sondern auf Ee = 2 gesetzt.

Als nächstes muss noch beurteilt werden, ob die derart analysierte Schwingung für eine Selbstoptimierung der Regelung geeignet ist. Beispielsweise gilt eine erkannte «Schwingung» als nichttauglich für eine Selbstoptimierung, wenn die ermittelten Schwingungsamplituden gegenüber dem Schwingungsmittelwert Cm zu klein sind. Ferner müssen die aus den gemessenen Grössen Ca, Cb, îm errechneten Schwingungsparameter P2R und P2J die Kriterien einer Schwingung erfüllen. Die Dämpfungszeitkonstante tD, die den exponentiellen zeitlichen Abfall der Schwingungskurve bestimmt, darf nicht wesentlich kürzer sein als die gemessene Schwingungsdauer Im. Diese Bedingung ist in den Diagrammen von Fig. 6 dargestellt: Im Diagramm A ist die Dämpfungszeitkonstante tD grösser als die gemessene Schwingungsdauer tM, und im Diagramm B ist sie nur unwesentlich kleiner; diese beiden Schwingungen können zur Korrektur der Regelparameter zugelassen werden. Dagegen ist im Diagramm C die Dämpfungszeitkonstante to sehr klein gegen die gemessene Schwingungsdauer tM; diese Schwingung wird nicht zugelassen.

Wenn alle Voraussetzungen für die Korrektur der Regelparameter Ki, Kp, Kd, aufgrund der durchgeführten Schwingungsanalyse erfüllt sind, berechnet die durch den Funktionsblock 36 dargestellte Programmroutine die neuen Regelparameter in der folgenden Weise:

Wenn

Tzi die im Verschmutzungszyklus gemessene Zeitkonstante des Temperaturreglers 32,

Tz2 die aus der Schwingungsanalyse berechnete Zeitkonstante der thermischen Verzögerung des Sensorelements 12 und

Tr die Zeitkonstante der Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse im exponentiellen aperiodischen Grenzfall ist, gilt für die neuen Regelparameter des zu den drei Zeitkonstanten gehörenden aperiodischen Grenzfalls:

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Ka - x • - Ï)

r

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Dabei sind die Parameter X, Y und Tr aus den alten Regelparametern Kp', Kf, Kd' sowie aus den durch die Schwingungsanalyse erhaltenen Schwingungsparametern P2R, P2J nach den folgenden Gleichungen zu berechnen:

X =

(P ^ + P ^ *F2R + F2J

K »

je

* *2 P2R + *

(11)

Y =

T

Z1

z2

wobei:

J- = ( -+ qp ) • 4- (13)

r z1 xz2 0

, K ' P2R2 * P2J2 * [<P2R2* P2J2) A ^ 2 P2R] l2 P2R*r7 >

_L = _p_ !; , P t Z1 (14v

^z2 Kd P ^ + P ^ . (2 P + ^ 1

ZZ d 2R + P2J + & * U P2R + TIT >

Die Theorie der Seibstoptimierung der Taupunktregelung erfordert dabei, dass für die errechneten Werte für Tz2 und Y gelten muss

Tz2 >y 0,

Y>0,

denn der Wert für Y ist gemäss der Theorie ein sehr kleiner positiver Korrekturwert zur Berechnung von Kd nach der Gleichung (8).

Wie die Gleichungen (8), (9), (10) zeigen, entspricht jedem vorgegebenen Wert für die Zeitkonstante Tr des idealen Einschwingvorgangs im aperiodischen Grenzfall ein typischer Satz von Regelparametern KP, Ki, Kd.

Die begrenzte Leistungsfähigkeit des Peltierelements erfordert auch eine Begrenzung des Differentialanteils der Taupunktregelung. Der Differentialanteil ist für eine schnelle Antwort des Taupunktreglers auf eine Störung entscheidend. Tatsächlich liefert die zuvor beschriebene Seibstoptimierung immer einen Differentialanteil, der die anderen Grössen wesentlich überragt. Um der begrenzten Kühlleistung des Peltierelements Rechnung zu tragen, wird dafür gesorgt, dass für Kd der folgende Grenzwert eingehalten wird:

Kd 10 <• Kp.

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Verschmutzunaskompensation

Fig. 7 zeigt den Einfiuss einer Verschmutzung des Messwertaufnehmers 10 auf den Zusammenhang zwischen der Sensorkapazität Cf und der Sensortemperatur Tf.

Die Kurve t entspricht dem sauberen Sensor. Sie zeigt an, dass beim Absenken der Sensortemperatur Tf die Sensorkapazität Cf der Trockenkapazität Co entspricht, bis die Taupunkttemperatur Tp nahezu erreicht ist. Erst kurz vor dem Erreichen der Taupunkttemperatur Tp steigt die Sensorkapazität geringfügig an, um dann genau bei der Taupunkttemperatur Tp auf einen Wert anzusteigen, der sehr viel grösser als die Trockenkapazität Co ist. Der Taupunktsensor wird also im wesentlichen richtig auf der Taupunkttemperatur Tp gehalten, wenn die Sensortemperatur Tf so eingeregelt wird, dass die Sensorkapazität den dargestellten Wert Ci annimmt.

Die Kurve II entspricht einem verschmutzten Sensor. Beim Absenken der Sensortemperatur Tf steigt die Sensorkapazität Cf infolge der Kapillarkondensation von Wasserdampf oder der Feuchtelöslichkeit bei öligen Verschmutzungsfilmen bereits an, wenn die Sensortemperatur noch weit oberhalb des Taupunktes liegt. Je nach der Art der Verschmutzung kann dieser Anstieg der Sensorkapazität Cf bereits bei Temperaturen beginnen, die bis zu 100°C oberhalb des Taupunkts liegen.

Wenn nun die Sensorkapazität Cf durch die Temperaturreglung auf dem gleichen Wert Ci wie beim sauberen Sensor gehalten wird, entspricht die Sensortemperatur TF nicht dem Taupunkt Tp, sondern einem höheren Wert T'f. Daraus ergibt sich ein Messfehler T bei der Messung der Taupunkttemperatur. Damit der Taupunkt-Sensor auf der richtigen Taupunkttemperatur Tp gehalten wird, müsste die Regelung so erfolgen, dass die Sensorkapazität Cf durch die Temperaturregelung auf dem Wert C'i gehalten wird.

Der Wert C'i gilt natürlich nur für die Art und den Grad der Verschmutzung, die die Kurve II ergeben. Andere Arten und/oder Grade der Verschmutzung ergeben jeweils andere Werte der Sensorkapazität Cf beim Taupunkt Tp.

Bei der Messanordnung von Fig. 1 wird im Mikrocomputer 30 durch eine Programmroutine, die durch den Funktionsblock 38 dargestellt ist, der als Führungsgrösse für die Temperaturregelung verwendete Kapazitätswert Ci selbsttätig so eingestellt, dass er genau der Sensorkapazität Cf = C'i beim Taupunkt Tp entspricht. Auf diese Weise werden die zuvor erläuterten Auswirkungen von Verschmutzungen des Sensors automatisch kompensiert.

Zu diesem Zweck wird ein Verfahren angewendet, das es ermöglicht, dies verschmutzungsbedingten Änderungen des Messsignals Cf oberhalb der Taupunkttemperatur von den Änderungen zu unterscheiden, die durch die Oberflächenkondensation von Wasserdampf bei und unterhalb der Taupunkttemperatur hervorgerufen werden.

Das diesem Verfahren zugrundeliegende Prinzip soll anhand der Diagramme von Fig. 8 erläutert werden. Das Diagramm A von Fig. 8 stellt die Sensortemperatur Tf als Funktion der Zeit dar. Im linken Teil des Diagramms A ist angenommen, dass die Sensortemperatur Tf im Bereich oberhalb der Taupunkttemperatur Tp periodisch geändert wird. Der einfacheren Darstellung wegen soll angenommen sein, dass es sich um eine sinusförmige Änderung handelt. Diese Änderungen erfolgen wegen der Wärmeträgheit des Taupunkt-Sensors natürlich verhältnismässig langsam. Ferner ist die Amplitude der Änderungen zur Verdeutlichung übertrieben gross dargestellt.

Im rechten Teil des Diagramms A sind entsprechende Änderungen der Sensortemperatur. Tf im Bereich unterhalb der Taupunkttemperatur Tp dargestellt.

Das Diagramm B zeigt, wie sich die Sensorkapazität Cf eines verschmutzten Sensors bei den Temperaturänderungen gemäss dem Diagramm A als Funktion der Zeit t ändern. Im Bereich oberhalb der Taupunkttemperatur ist der Zusammenhang zwischen den Temperaturänderungen und den Kapazitätsänderungen durch die Kurve II von Fig. 7 gegeben. In diesem Bereich ändert sich die Kapazität des verschmutzten Sensors entgegengesetzt zu der Sensortemperatur entsprechend dem durch die Kurve II bestimmten Verlauf der Kapazitäts-Temperatur-Kennlinie. Diese Kapazitätsänderungen liegen im Bereich zwischen der Trocken-Kapazität Co und der Taupunkt-Kapazität C'i des verschmutzten Sensors.

Dagegen würde sich die Kapazität eines sauberen Sensors in diesem Bereich nicht ändern, wie sich unmittelbar aus Fig. 7 ergibt, weil die durch die Kurve I gegebene Kapazitäts-Temperatur-Kennlinie des sauberen Sensors in diesem Bereich horizontal verläuft. Der saubere Sensor behält bei Temperaturänderungen in diesem Bereich unverändert den Trocken-Kapazitätswert Co.

Im Bereich unterhalb der Taupunkttemperatur folgt dagegen die Kapazität des verschmutzten Sensors nicht mehr den Änderungen der Sensortemperatur, wie im rechten Teil der Diagramme dargestellt ist. In diesem Bereich ist die Kapazität des verschmutzten Sensors durch die Taukondensation bestimmt, die sich auf der Oberfläche des Sensorelements bildet. Jede weitere verschmutzungsbedingte Kondensation hört auf. Die Masse des kondensierten Wassers nimmt bei jeder genügend unterhalb des Taupunkts liegenden Temperatur stetig zu. Daher erfolgt in diesem Bereich ein stetiges Anwachsen der Sensorkapazität Cp, auch wenn die Sensortemperatur variiert.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Taupunkt-Messanordnung wird dieses unterschiedliche Verhalten eines

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et;

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verschmutzten Sensors bei Temperaturen unterhalb und oberhalb der Taupunkttemperatur zur Bestimmung der dem Taupunkt entsprechenden Sensorkapazität Ci ausgenutzt.

Fig. 9 zeigt einen Verschmutzungskompensations-Zyklus, wie er insbesondere bei jeder Inbetriebnahme des Geräts zur Bestimmung des Taupunkt-Kapazitätswerts Ci durchgeführt wird. Dieser Zyklus ergibt ausserdem auch die Trocken-Kapazität Co des Sensors, sowie die Zeitkonstante Tzi des Folgereglers.

Das Diagramm von Fig. 9 zeigt den vom System erzwungenen zeitlichen Verlauf der Sensortemperatur Tf und den dadurch verursachten zeitlichen Verlauf der Sensorkapazität Cf eines völlig mit einem öligen Film verschmutzten Sensors während des Verschmutzungskompensations-Zyklus. Bei einem derart verschmutzten Sensor steigt die Sensorkapazität Cf bereits bei einer Temperatur an, die etwa 60°C oberhalb der Taupunkttemperatur Tp liegt.

Zu Beginn des Verschmutzungskompensations-Zyklus erfolgt beispielsweise ein Aufheizen des Sensors bis auf eine Maximaltemperatur von 120°C. Das Aufheizen geschieht solange, bis die Sensorkapazität Cf stabil bleibt, was dann der Fall ist, wenn der Sensor alle Feuchtigkeit abgegeben hat. Dadurch kann die Trockenkapazität Co bestimmt werden. Bei dem dargestellten Beispiel ist die Verschmutzung so stark, dass das Abdampfen des Wassers erst bei einer Sensortemperatur von 120°C völlig erreicht ist. Die Sensorkapazität Cf ist dann auf die Trockenkapazität Co = 8,9 pF abgefallen.

Nach dieser Ausheizphase wird der Sensor, ausgehend von der erreichten Höchsttemperatur, mit maximaler Kühlleistung solange abgekühlt, bis ein erster Anstieg der Sensorkapazität Cf zu beobachten ist. Bei dem dargestellten Beispiel erfolgt dieser erste Anstieg bereits bei einem Abfall der Sensortempe-ratur auf etwa 115°C.

Ab diesem Zeitpunkt erfolgt eine langsamere gestufte Absenkung der Sensortemperatur. Dadurch wird erreicht, dass der entsprechend ansteigenden Sensorkapazität Cf ein stufenweises Ansteigen aufgezwungen wird. Wie anhand von Fig. 8 erläutert wurde, tritt diese verschmutzungsbedingte periodische zeitliche Änderung der Sensorkapazität nur solange auf, wie die Sensortemperatur oberhalb des Taupunkts liegt. Sobald die Taupunkttemperatur Tp unterschritten wird, weicht die periodische zeitliche Änderung einem plötzlichen und dann stetigen Anwachsen der Sensorkapazität. Die Sensortemperatur bei diesem Wechsel ist die Taupunkttemperatur Tp, und die bei dieser Temperatur gemessene Sensorkapazität Cf ist der Taupunkt-Kapazitätswert C|, der als neuer Kapazitäts-Sollwert gespeichert wird. Bei dem dargestellten Beispiel wird ein Kapazitäts-Sollwert C| = 21,8 pF gefunden.

Aus dem Diagramm von Fig. 9 lässt steh die Kennlinie des als Beispiel gewählten verschmutzten Sensors, d.h. die Abhängigkeit der Sensorkapazität über der Sensortemperatur ableiten, die in Fig. 10 aufgetragen ist. Aus dieser Kennlinie wird deutlich, dass mit dem beschriebenen Verfahren zur Verschmutzungskompensation der verschmutzungsbedingte Anstieg der Sensorkapazität Cf durch die Wahl von C4 ignoriert wird. Ferner bewirkt dieses Verfahren, dass der Sollwert Ci genau am Fusspunkt des steilen Kennlinienabschnitts und nicht wesentlich höher zu liegen kommt. Dies ist sowohl für die Dynamik des Systems, das mit dicker werdender Kondensation immer träger wird, als auch für die beschriebene Seibstoptimierung der Regelung vorteilhaft.

Die Anzeige der Sensortemperatur Ta wird während des ganzen Verschmutzungskompensations-Zy-klus konstant gehalten und erst nach dem Ende des Zyklus wieder eingeschaltet, wo die Anzeige expo-nentiell zur neuen Taupunkttemperatur übergeht.

Für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur automatischen Verschmutzungskompensation ist es wichtig, die Geschwindigkeit der stufenweisen Absenkung der Sensortemperatur richtig zu wählen.

Durch eine vorteilhafte Massnahme wird erreicht, dass sich die Absenkgeschwindigkeit von selbst optimal einstellt.

Wie bereits erwähnt wurde, wird nach Beendigung der Ausheizphase das Peltierelement zunächst solange mit maximalem Kühlstrom betrieben, bis zum erstenmal ein Anstieg der Sensorkapazität Cf festgestellt wird.

Nun erfolgt eine stufenweise Verringerung der Sensortemperatur. Zunächst wird die Sensortemperatur (durch Herabsetzung des Sollwerts Ts der Temperaturregelung) um 1°C verringert und dann solange auf dem neuen Temperaturwert gehalten, bis die Sensorkapazität Cf in einen Sättigungszustand übergeht, was für ein verschmutzungsbedingtes Anwachsen der Sensorkapazität charakteristisch ist. Daraufhin erfolgt wieder eine Verringerung der Sensortemperatur um 1°C usw.

Auf diese Weise passen sich die Stufungsfrequenz und damit die mittlere Absenkgeschwindigkeit von selbst an die jeweils herrschenden Bedingungen so an, dass die periodischen zeitlichen Änderungen des cf-Wertes als Antwort einwandfrei erkannt und ausgewertet werden können.

Wenn die Sensorkapazität einen Sättigungszustand nicht mehr erreicht, sondern permanent ansteigt, ist dies das Anzeichen dafür, dass die Sensortemperatur den Taupunkt unterschritten hat. Dann wird aus den zuletzt erreichten Werten der Sensorkapazität Cf der neue Sollwert Ci bestimmt.

Das Diagramm von Fig. 11 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt aus der Temperarturkurve von Fig. 9, der die stufenweise Absenkung der Sensortemperatur deutlicher erkennen lässt, und das Diagramm B von Fig. 11 zeigt die entsprechenden periodischen zeitlichen Änderungen der Sensorkapazität Cf. In

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Fig. 11 ist auch dargestellt, wie die Zeitkonstante Tzt aus dem Verlauf der Temperaturkurve im Ver-schmutzungszyklus ermittelt werden kann.

Die periodischen zeitlichen Änderungen der Sensorkapazität Cf können auch auf andere Weise als durch eine stufenweise Verringerung der Sensortemperatur Tf erzeugt werden. Beispielsweise kann die Sensortemperatur Tf abwechselnd um 2°C verringert und dann wieder um 1°C erhöht werden, so dass der abfallenden Temperaturkurve eine Temperatur-Oszillation überlagert wird. Dem Anstieg der Sensorkapazität ist dann im Bereich oberhalb der Taupunkt-Temperatur eine entsprechende Oszillation überlagert, die die periodische zeitliche Änderung ergibt.

Wenn der Sensor keine Verschmutzungen aufweist, treten keine periodischen zeitlichen Änderungen von Cf auf, sondern der erste Anstieg der Sensorkapazität erfolgt erst am Taupunkt und entspricht dem permanenten Anstieg ohne Sättigungserscheinung. In diesem Fall wird der Sollwert Ci auf einen Wert gesetzt, der um einen vorgegebenen Betrag grösser als der Trocken-Kapazitätswert Co ist, beispielsweise

Ci— Co + 0,2 pF.

Schliesslich werden am Ende des Verschmutzungsskompensations-Zyklus vorläufige Grobwerte für die Regelparameter Ki, Kp und Kd aufgrund der während des Zyklus beobachteten Kapazitäts- und Temperaturänderungen festgesetzt. Mit diesen groben Regelparametern beginnt dann die normale Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse, die jedoch im Normalfall noch Schwingungen ausführen wird, da die gefundenen Regelparameter nur sehr grob dem System angepasst sind. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Schwingunganalyse und Seibstoptimierung wird das System aber dann aus den Grobwerten für Kp, Kj, Kd und den Parametern P2R, P2J der Kapazitäts-Schwingungen die exakten Regeiparame-ter bestimmen.

Der beschriebene Verschmutzungskompensations-Zyklus wird, wie erwähnt, bei jeder Inberiebnahme des Geräts durchgeführt und gegebenenfalls in relativ langen Zeitabständen wiederholt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Messung des Wasserdampf-Taupunkts in Gasen, bei welchem eine zur Anzeige der Bildung von Tautröpfchen auf einer Sensorfläche verwendete feuchteabhängige elektrische Grösse durch Regelung der Temperatur der Sensorfläche auf einem einer stabilen Taumasse zugeordneten Sollwert gehalten wird und die Temperatur der Sensorfläche gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Sollwerts die Temperatur der Sensorfläche von einem oberhalb der Taupunkttemperatur liegenden Wert abgesenkt und der Absenkung eine periodische zeitliche Temperaturänderung überlagert wird, und dass bei gleichzeitigem Auftreten von periodischen zeitlichen Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Grösse der beim Wechsel der periodischen zeitlichen Änderungen zu einer monotonen Änderung gemessene Wert der feuchteabhängigen elektrischen Grösse als der Soliwert verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Sensorfläche stufenweise um einen vorgegebenen Betrag herabgesetzt und die periodische zeitliche Änderung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse bis zum monotonen Anwachsen dieser Grösse überwacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenweisen Änderungen der Temperatur der Sensorfläche in Abhängigkeit von den Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Grösse ausgelöst werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfläche zunächst auf eine oberhalb des Taupunktes des Gases liegende Temperatur solange aufgeheizt wird, bis die feuchteabhängige elektrische Grösse einen konstanten Wert angenommen hat, dass der konstante Wert als Trocken-Wert gemessen wird, dass dann die Temperatur der Sensorfläche stufenweise abgesenkt wird, und dass die Überlagerung der periodischen zeitlichen Temperaturänderungen begonnen wird, wenn die erste Änderung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse festgestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass "die feuchteabhängige elektrische Grösse eine Kapazität ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelparameter für die Regelung der feuchteabhängigen Grösse aufgrund einer Analyse von Schwingungen der feuchteabhängigen elektrischen Grösse oder der Sensortemperatur fortlaufend korrigiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schwingungsanalyse die Schwingungsamplituden bei zwei aufeinanderfolgenden Schwingungsmaxima und der Zeitabstand zwischen diesen Schwingungsmaxima ermittelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung der Schwingungsmaxima die Vorzeichen der Steigungen mehrerer aufeinanderfolgender Kurvenabschnitte des Verlaufs der feuchteabhängigen elektrischen Grösse oder der Sensortemperatur ausgewertet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein mögliches Schwingungsmaxi-

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mum ankündigender Vorzeichenwechsel zwischen zwei Kurvenabschnitten gespeichelt wird und dass bei einem unmittelbar folgenden erneuten Vorzeichenwechsel die Speicherung rückgängig gemacht wird, wogegen beim Ausbleiben eines erneuten Vorzeichenwechsels das Schwingungsmaximum bestätigt wird,

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Speicherung des Vorzeichenwechsels eine Zählvariabte um einen bestimmten Betrag geändert wird, und dass zur Bestätigung des Schwingungsmaximums die Zählvariable erneut um den gleichen Betrag in der gleichen Richtun'g geändert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse eine PID-Regelung ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Grösse als Regelgrösse ein Temperatursollwert erzeugt wird, und dass der Temperatursollwert als Führungsgrösse für eine in Kaskade nachgeschaltete Temperaturregelung verwendet wird, deren Regelgrösse die Temperatur der Sensorfläche ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in Kaskade nachgeschaltete Tem-peraturreglung eine Regelung mit fest eingestellten Regelparametern ist.

14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Taupunkt-Sensor, der ein die Sensorfläche aufweisendes elektrisches Sensorelement, das ein von der feuchteabhängigen elektrischen Grösse abhängiges elektrisches Signal liefert, eine die Temperatur der Sensorfläche beeinflussende elektrische Heiz- und Kühleinrichtung und einen elektrischen Temperatursensor, der ein von der Temperatur der Sensorfläche abhängiges elektrisches Signal liefert, aufweist, und mit einer an den Taupunkt-Sensor angeschlossenen Regelanordnung, die das feuchteabhängige elektrische Signal als Regelgrösse empfängt und zu der elektrischen Heiz- und Kühleinrichtung eine Stellgrösse liefert, durch die das feuchteabhängige elektrische Signal auf einem Sollwert gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelanordnung einen Führungsregler und einen Folgeregler enthält, die in Kaskade angeordnet sind, dass der Führungsregler das feuchteabhängige elektrische Signal als Regelgrösse und den Sollwert des feuchteabhängigen elektrischen Signals als Führungsgrösse empfängt und ein Temperatursollwertsignal abgibt und dass der Folgeregler das vom Führungsregler gelieferte Temperatursollwertsignal als Führungsgrösse und das vom Temperatursensor gelieferte temperaturabhängige Signal als Regelgrösse empfängt und die Stellgrösse zu der elektrischen Heiz- und Kühleinrichtung liefert.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsregler ein PID-Regler ist, dessen Regelparameter aufgrund der Schwingungsanalyse korrigiert werden, und dass der Folgeregler ein Regler mit fest eingestellten Regelparametern ist.

16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsregler und der Folgeregler durch einen Mikrocomputer gebildet sind, der auch die Einstellung des Sollwerts der feuchteabhängigen elektrischen Grösse sowie die Schwingungsanalyse und die Korrektur der Regelparameter durchführt.

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