CN109084827B - 用于运行传感器装置的方法和适合于此的传感器装置 - Google Patents

用于运行传感器装置的方法和适合于此的传感器装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109084827B
CN109084827B CN201810370864.0A CN201810370864A CN109084827B CN 109084827 B CN109084827 B CN 109084827B CN 201810370864 A CN201810370864 A CN 201810370864A CN 109084827 B CN109084827 B CN 109084827B
Authority
CN
China
Prior art keywords
humidity
sensor
grenz
limit value
ice
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810370864.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109084827A (zh
Inventor
赫尔穆特·米特尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
E&E Elektronik GmbH
Original Assignee
E&E Elektronik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by E&E Elektronik GmbH filed Critical E&E Elektronik GmbH
Publication of CN109084827A publication Critical patent/CN109084827A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109084827B publication Critical patent/CN109084827B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/08—Adaptations of balloons, missiles, or aircraft for meteorological purposes; Radiosondes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/56—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01W—METEOROLOGY
    • G01W1/00—Meteorology
    • G01W1/02—Instruments for indicating weather conditions by measuring two or more variables, e.g. humidity, pressure, temperature, cloud cover or wind speed

Landscapes

  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Atmospheric Sciences (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于运行传感器装置的方法以及适合于此的传感器装置，所述传感器装置尤其适合于确定无线电探空仪中的相对湿度。传感器装置包括湿度传感器、温度传感器以及加热元件，其中将湿度传感器至少暂时地加热。在低于0℃的温度范围中，从预设的湿度极限值起，经由加热元件将湿度传感器至少暂时地加热，其中湿度极限值选择作为关于冰的饱和方面的极限湿度。

Description

用于运行传感器装置的方法和适合于此的传感器装置
技术领域
本发明涉及一种用于运行传感器装置的方法以及一种适合于此的传感器装置。特别地，根据本发明的方法以及根据本发明的传感器装置适合于无线电探空仪中的湿度测量。
背景技术
从EP 0 801 302 A1中已知用于湿度测量的方法以及这种类型的设备，其中相应的设备包括湿度传感器、温度传感器和加热元件。为了尤其在高湿度区域中防止测量结果失真，在该文献中提出：在达到特定的湿度极限值时，借助于加热元件加热湿度传感器，即在温度升高时运行。
这种处理方法对于常规湿度测量而言是令人满意的解决方案，而在无线电探空仪中使用相应设备的情况下出现特定的问题。
这种无线电探空仪通常由填充氦气或氢气的气球构成，在该气球上除了GPS单元外还设置有用于以测量技术的方式检测不同气候参数的传感器装置。在此，经由传感器装置例如可以确定气球飘过的大气区域的温度和相对湿度。在此，传感器装置以足够大的间距悬挂在气球下方，以避免气球对测量产生的可能的影响。在上升期间，将经由传感器装置产生的、关于温度、相对湿度和探空仪位置的测量数据连续地发送到地面站，使得在相应地评估测量数据之后，能够建立关于相对湿度、温度、风速和风向的高程剖面
Figure BDA0001638018360000011
这种无线电探空仪的最大上升高度可以超过30km，典型地是在15km到20km之间范围中的上升高度。
当飘过具有不同的温度和湿度关系的空气层时，特别在湿度测量时在这种无线电探空仪中产生问题。例如，因此在热带地区中存在30℃的温度和直至95％rH的相对湿度，而例如在大气高层中存在直至-80℃的温度并几乎不存在水分。
在无线电探空仪中，已知传感器装置中的凝结和由此传感机构结冰的可能性作为最大的误差来源。在湿度测量的情况下，可能的结冰通常导致错误测量。在此，即使在离开相应的空气层之后，这种结冰也可以存在较长时间。因此干扰进而测量结果的失真也会持续较长的时间。
除了各种其他方案之外，用于湿度测量的传感机构的加热是避免结冰进而避免相应的错误测量的一种可行性。
因此例如，在WO 2014/128348 A1中提出：为了避免结冰，连续加热用于湿度测量的传感机构。然而，经由永久加热使湿度测量传感机构的灵敏度降低，进而使其测量精度降低。此外，持续加热需要增加能量要求，由于无线电探空仪能量供应由电池支持，这同样是成问题的。
从开头提到的文献EP 0 801 302 A1中已知的加热方法尤其在温度极低时也不适于：可靠地防止用于湿度测量的传感机构结冰。这是因为：在这样的温度时，根据所谓的WMO(World Metrological Organization世界计量组织)的定义，无法达在到75％范围中的湿度极限值，从湿度极限值起执行加热运行；通常，系统之前就已经结冰。
发明内容
本发明所基于的目的是：提出一种用于运行传感器装置的方法以及一种用于湿度测量的相应的传感器装置，经由传感器装置也能够在低温度的情况下避免由于结冰造成的错误测量。
根据本发明，所述目的通过根据本发明的方法来实现。
根据本发明的方法的有利的实施方案从以下列举的措施中得出。
此外，所述目的通过根据本发明的传感器装置实现。
根据本发明的传感器装置的有利的实施方案从以下列举的措施中得出。
根据本发明的方法用于运行传感器装置，并且尤其用于确定无线电探空仪中的相对湿度。在此，传感器装置包括湿度传感器、温度传感器以及加热元件，并且至少暂时地加热湿度传感器。在低于0℃的温度范围中，从预设的湿度极限值起，经由加热元件至少暂时地加热湿度传感器，其中湿度极限值选择作为关于冰的饱和方面的极限湿度。
在此，将低于0℃的温度范围中的湿度极限值本身从相对湿度的标准定义中选择作为恒定的湿度极限值，其中相对湿度根据
Figure BDA0001638018360000031
得出，其中：
Ui：＝关于冰的根据标准定义的相对湿度
e：＝当前的水蒸气部分压力
ei(t)：＝关于冰面的饱和情况下的水蒸气部分压力
UW：＝关于水的根据WMO定义的相对湿度
eW(t)：＝关于水面的饱和情况下的水蒸气部分压力。
可行的是：在60％≤Ui,grenz≤90％的范围中选择湿度极限值。
在一个有利的变体中，根据Ui,grenz＝75％来选择湿度极限值。
此外能够提出：在第一湿度极限值与第二湿度极限值之间的预设的范围中，经由加热元件以恒定的加热功率加热湿度传感器，其中这些湿度极限值分别选择为关于冰的饱和方面的极限湿度。
在此，能够在85％≤Ui,grenz_1≤95％的范围中选择第一湿度极限值，并且在65％≤Ui,grenz_2≤75％的范围中选择第二湿度极限值。
替选地也能够提出：湿度传感器从达到湿度极限值起经由加热元件以调节的方式加热，使得得到湿度传感器的恒定的相对湿度。
在此可行的是：将湿度传感器的局部温度调节为，使得得到湿度极限值大小的恒定的相对湿度。
此外，在高于0℃的温度范围中，从预设的湿度极限值起，能够经由加热元件至少暂时地加热湿度传感器，其中将湿度极限值选择作为关于水的饱和方面的极限湿度。
根据本发明的传感器装置尤其适合用于确定无线电探空仪中的相对湿度。传感器装置包括湿度传感器、温度传感器以及加热元件，其中经由作用于加热元件上的控制单元能够至少暂时地加热湿度传感器。在此，控制单元设计用于：在低于0℃的温度范围中，从预设的湿度极限值起，经由加热元件至少暂时地加热湿度传感器，其中湿度极限值选择作为关于冰的饱和方面的极限湿度。
在此，湿度传感器能够设计为平板电容器，平板电容器包括两个电极，在这些电极之间设置有湿度敏感的聚合物，并且其中，这些电极中的一个设计为湿气能透过。
还可行的是：温度传感器和加热元件设计为组合单元，其中为了加热湿度传感器，测量电流能够经由控制单元而变化。
对此，湿度传感器能够设置在传感器基底的一侧上，并且与其相邻地设置有由温度传感器和加热元件构成的组合单元。
替选地也可行的是：湿度传感器设置在传感器基底的一侧上，并且与其相邻地设置有加热元件，而在传感器基底的相对置的一侧上设置有温度传感器，所述温度传感器设计为NTC元件并且借助热导热胶固定在传感器基底上。
还能够提出：湿度传感器、温度传感器以及加热元件以薄层技术施加在由硅构成的传感器基底上，该传感器基底设有绝缘层。
经由根据本发明的措施能够确保：在低温情况下也防止湿度传感器结冰。同时不需要永久的加热运行，相反于根据本发明的方法，该加热运行与显著更高的能量需求联系在一起。此外，经由符合需要的加热运行确保尽可能小地影响湿度测量。根据本发明的方法以及根据本发明的传感器装置因此尤其适合于使用在无线电探空仪中。
附图说明
借助根据本发明的方法以及根据本发明的湿度传感器装置的实施例的下面的描述结合附图阐述本发明的其他的细节和优点。
附图示出
图1示出无线电探空仪的示意图；
图2示出图1的无线电探空仪的传感机构单元的放大图；
图3示出在根据现有技术加热传感器装置的情况下在温度和相对湿度之间的关联的视图；
图4、5分别示出在根据本发明加热传感器装置的情况下在温度和相对湿度之间的关联的视图；
图6a示出根据本发明的传感器装置的第一实施例的一部分的剖面图；
图6b示出图6a的传感器装置的一部分的俯视图；
图7a示出根据本发明的传感器装置的第二实施例的一部分的剖面图；
图7b示出图7a的传感器装置的一部分的俯视图；
图8a示出根据本发明的传感器装置的第三实施例的一部分的剖面图；
图8b示出图8a的传感器装置的一部分的俯视图；
图9、10分别示出另外的传感器装置变体结合控制单元的极度示意的框形电路图。
具体实施方式
在根据图3、4和5详细阐述根据本发明的方法之前，首先借助于图1和2解释具有根据本发明的传感器装置的无线电探空仪的基本结构和本发明的主要使用领域。
在图1中极度示意地示出无线电探空仪，其由用氦气或氢气填充的气球10和悬挂在其上的电子单元20构成，所述电子单元具有传感机构单元30。在此，电子单元20包括多种未详细示出的部件。此外，用于确定位置的GPS单元、用于将数据传输到地面站的发射模块、用于供应能量的电池以及控制单元也属于此。控制单元能够对经由传感器装置确定的数据在传输到地面站之前进行处理，此外，经由控制单元进行对传感器装置的部件进行下面还要详细描述的加热，所述部件是传感机构单元30的组成部分。
在图2中同样示意地示出传感机构单元30的放大图。如从附图中可见，传感机构单元30包括多个设置在承载件31上的测量部件，即用于测量环境空气温度tgas的气体温度传感器32以及用于测量环境湿度的传感器装置33。在图2中未示出传感器装置33的各个部件。传感器装置33主要具有湿度传感器、用于测量传感器装置温度的温度传感器以及加热元件，经由加热元件至少暂时地加热湿度传感器以避免结冰。传感器装置33的部件通常设置在适合的传感器基底上。关于传感器装置33的其他细节，参考实施例的下面的描述结合对根据本发明的方法的阐述。
下面，借助图3、4和5描述根据本发明的方法。首先结合相对湿度的不同定义来阐述一些关系。
因此，在热力学中，气体的相对湿度UW通常定义为气体中的当前的水蒸气部分压力e与在气体温度t时饱和时的水蒸气部分压力(饱和水蒸气部分压力)ew(t)的比例，其以％来表示：
Figure BDA0001638018360000071
其中：
Uw:＝相对湿度
e:＝当前的水蒸气部分压力
ew(t):＝温度t时关于水的饱和水蒸汽部分压力。
在温度t>0℃的温度范围中，在此，仅存在根据上述公式1的相对湿度Uw的唯一的定义，以为内仅存在唯一的饱和状态或者在关于水的饱和情况下的饱和水蒸气部分压力ew(t)。
这在具有负温度t<0℃的温度范围中，即在无线电探空仪中能够出现开始讨论的结冰问题所在的温度范围中的表现不同。在此，由于在关于水的饱和情况下的水蒸气部分压力ew(t)和在关于冰的饱和情况下的水蒸气部分压力ei(t)不同，也存在对于相对湿度的两个不同定义。
一方面，存在相对湿度的所谓的“WMO定义”(WMO：World MetrologicalOrganization世界计量组织)，尤其在热力学方面进行观察时关心该相对湿度。相对湿度根据下面的关联得出并且与上述公式1相同：
Figure BDA0001638018360000081
其中：
Uw:＝根据WMO定义的相对湿度
e:＝当前的水蒸气部分压力
ew(t):＝温度t时关于水的饱和水蒸汽部分压力。
因此，相对湿度的WMO定义在整个温度范围中适用，即在温度t为正和负时适用。主要在气象学中使用相对湿度的WMO定义。
除了相对湿度的该定义之外，在负温度t<0℃时还存在相对湿度的所谓的“标准定义”，有时也称作相对湿度的“技术定义”。在t>0℃的温度范围中如上提及的那样，相对湿度的标准定义与相对湿度的WMO定义相同，而在负温度范围t<0℃中根据标准定义的相对湿度根据
Figure BDA0001638018360000091
得出，其中：
Ui:＝根据标准定义的相对湿度
e:＝当前的水蒸气部分压力
ei(t):＝温度t时关于冰的饱和水蒸汽部分压力。
因此，在温度范围t<0℃中也适用的是：
Figure BDA0001638018360000092
其中：
Ui:＝根据标准定义的相对湿度
Uw:＝根据WMO定义的相对湿度
ew(t):＝温度t时关于水的饱和水蒸汽部分压力
ei(t):＝温度t时关于冰的饱和水蒸汽部分压力。
相对湿度的两个不同的定义的背景是：在技术环境中，从不超过关于冰的饱和状态。在此，冰饱和为最大值，使得根据标准定义的相对湿度通常处于0-100％的范围中。
现在，如果在技术环境中利用冰饱和作为最大可能值来测量根据WMO定义的相对湿度，那么在负温度t＜0℃时存在最大相对湿度Uw.max，所述最大的相对湿度从关于冰和水的饱和水蒸气部分压力的比例中如下得出：
Figure BDA0001638018360000101
其中：
Uw，max：＝在结冰时根据WMO定义的最大相对湿度
ew(t)：＝温度t时关于水的饱和水蒸汽部分压力
ei(t)：＝温度t时关于冰的饱和水蒸汽部分压力。
在下面的表格中，对于一些负温度t＜0℃示例地总结在结冰时根据WMO定义确定的最大相对湿度Uw.max：
t[℃] 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80
e<sub>w</sub>(t)[hPa] 6.1357 2.8766 1.2611 0.5126 0.1912 0.0647 0.0196 0.0052 0.0012
e<sub>i</sub>(t)[hPa] 6.1356 2.6094 1.0368 0.3817 0.1290 0.0396 0.0109 0.0026 0.0005
U<sub>w.max</sub>[％] 100.00 90.71 82.21 74.47 67.46 61.14 55.48 50.44 45.98
如从该表格中可见：在技术系统中因此例如在温度t＝-40℃时确定根据WMO定义的最大相对湿度Uw.max＝67.46％；而相对湿度Ui根据标准定义为Ui＝100％。
此外，从该表格中可见的是：在负温度低于大约-30℃时，不再超过大约75％的根据WMO定义的最大相对湿度Uw.max。在根据上面讨论的EP 0 801 302 A1暂时地加热传感器装置中的湿度传感器的情况下，这引起：未达到预设用于使用加热运行的75％的湿度极限值，并且因此引起传感器装置的结冰，其伴随有相应的不期望的结果。
该关系针对根据EP 0 801 302 A1的加热方法也可从图3中的图表中识别出。在该图表中示出与温度t相关的根据WMO定义的不同湿度极限值。因此，实线曲线代表如下湿度极限值Uw,grenz：从该湿度极限值起，进行对湿度传感器的加热。虚线曲线说明如下湿度极限值Uw.max：从该湿度极限值起，在低于0℃时出现结冰。虚线曲线示出对于热力学最大水含量的湿度极限值Uw＝100％，所述湿度极限值在此在整个温度范围中为100％。因此，当基于WMO定义确定湿度极限值时，低于温度t就不能再达到75％的湿度极限值以使用加热，其中所述温度通过具有用于加热调节的湿度极限值Uw,grenz的曲线与具有用于出现结冰的湿度极限值Uw.max的曲线的交点得出，并且例如为-30℃；因此，传感器装置提前结冰。
因此，根据本发明提出：不根据WMO定义选择在低于0℃的温度范围中的湿度极限值，而是基于相对湿度的上面讨论的标准定义根据公式2和3来选择，其中从所述湿度极限值起至少暂时地经由加热元件加热湿度传感器。这表示，用于加热运行的湿度极限值Ui.grenz因此根据本发明选择或确定为关于冰在饱和方面的极限湿度。
相应的湿度极限值在低于0℃的温度范围中在此选择为恒定的湿度极限值Ui.grenz，优选在60％≤Ui,grenz≤90％的范围中选择；例如，适合的是湿度极限值Ui,grenz＝75％。
在高于0℃的温度范围中，类似于根据EP 0 801 302 A1中的处理方法提出：从预设的湿度极限值Uw,grenz起，经由加热元件至少暂时地加热湿度传感器，其中将湿度极限值选择作为关于水在饱和方面的极限湿度，即根据WMO定义和标准定义的根据在该温度范围中相同的相对湿度。
在根据本发明的方法的相应关系在图4和5的图表中示出，所述图表又示出在-100°℃和+60℃之间的温度范围中基于根据标准定义(图4)或WMO定义(图5)的相对湿度的不同湿度极限值。
如从图4可见，从现在开始，在低于0℃的温度范围中的湿度极限值Ui.grenz根据相对湿度的标准定义选择为Ui,grenz＝75％，即选择为关于冰的在饱和方面的恒定极限湿度。从达到所述湿度极限值Ui,grenz＝75％起，至少暂时地经由加热元件加热湿度传感器，关于适合的加热方法参考下面的描述。借此，如从图4可见的那样确保：即使在极低的温度t时，与现有技术不同，在任何情况下在达到湿度极限值Ui,max之前能够加热湿度传感器进而能够可靠地防止其结冰，其中从达到该值起出现结冰。
在图5中，为了比较，在相应的温度范围中示出相同的湿度极限值Uw.max、Uw,grenz以及Uw＝100％，然而从现在开始分别基于WMO湿度定义，即类似于图3的视图。在此高于0℃的比例与现有技术相同，而根据本发明基于标准定义选择的湿度极限值Uw,grenz或在负温度范围t<0℃中在该图表中总是在用于结冰的湿度极限值Uw.max之下伸展。这表示，确保在出现结冰之前使用对湿度传感器的加热并且经由适和的反加热(Gegenheizen)能够可靠地防止其结冰。在根据标准定义的所选择的湿度极限值Ui,grenz＝75％的情况下，于是如下得到根据WMO定义的与其相对应的相对湿度：
Figure BDA0001638018360000131
其中：
Uw:＝根据WMO定义的相对湿度
Ui,grenz:＝根据标准定义的、用于加热的湿度极限值
ew(t):＝温度t时关于水的饱和水蒸汽部分压力
ei(t):＝温度t时关于冰的饱和水蒸汽部分压力。
因此，存在用于加热湿度传感器的湿度极限值Ui,grenz，其根据标准定义是恒定的并且根据Ui,grenz＝75％来选择，但是该湿度极限值在根据WMO的湿度定义中在负温度范围t<0℃中根据温度t而变化，这如在图5中在左下方可见。
以该方式和方法确保：湿度传感器实际上从不根据标准定义测量高于75％的相对湿度；因此能够可靠地防止从根据标准定义的100％的相对湿度起出现的结冰。
关于此点，需要指出的是：原则上，始终根据相对湿度的WMO定义经由根据本发明的传感器装置的湿度传感器进行湿度测量；仅仅对于加热湿度传感器，根据本发明，考虑基于标准定义的湿度极限值Ui,grenz。
在最后根据图6-10描述根据本发明的传感器装置的不同实施例之前，下面还阐述用于加热传感器装置的适合的可行性。
在此，将利用根据本发明选择的湿度极限值Ui,grenz的适合的加热方法的第一变体称作为静态的加热方法。在此提出：经由加热元件在超过第一湿度极限值Ui,grenz_1的情况下以恒定的加热功率加热湿度传感器，并且在低于另外的、第二湿度极限值Ui,grenz_2的情况下再次将其断开。这两个湿度极限值Ui,grenz_1、Ui,grenz_2如上面阐述的那样基于相对湿度的标准定义来确定，即作为关于冰的在饱和方面的极限湿度。在该加热方法的一个可行的实施方式中，在这两个湿度极限值之间以恒定的加热功率加热湿度传感器，这两个湿度极限值Ui,grenz_1、Ui,grenz_2在如下范围中选择：
85％≤Ui,grenz_1≤95％
65％≤Ui,grenz_2≤75％。
将利用根据本发明选择的湿度极限值Ui,grenz的适合的加热方法的第二变体称作为动态的加热方法。在该加热方法中，从达到湿度极限值Ui,grenz起，经由加热元件受调节地加热湿度传感器，并且在此将湿度传感器的局部温度调节为，使得在湿度传感器处得到保持相同的或恒定的相对湿度。在此，优选地调节到湿度极限值Ui,grenz大小的恒定相对湿度。
现在，根据图6a、6b、7a、7b、8a、8b接着阐述传感器装置的三个实施例，所述传感器装置能够用于根据本发明的方法。附图分别示出相应的传感器装置的一部分的剖面图以及俯视图；在这些图中未示出电子的控制单元。
根据本发明的传感器装置包括各一个湿度传感器、温度传感器以及加热元件。在此，借助于温度传感器确定传感器装置的局部温度，加热元件用于至少暂时地加热湿度传感器。
对于根据本发明的传感器装置，优选考虑电容式湿度传感器作为湿度传感器，所述电容式湿度传感器以薄层技术设置在传感器基底上。湿度传感器包括湿度灵敏的材料，所述材料的电容取决于湿度相关以限定的方式和方法而改变，并且所述材料作为电介质设置在板式电容器的两个电极之间。在此，两个电极之一设计为湿气可透过。特别是聚合物例如聚酰胺尤其适合作为湿气灵敏的材料。
对于传感器基底，在传感器装置中优选使用绝缘体，所述绝缘体是不导电的，但是具有限定的热学特性。对此例如考虑玻璃、陶瓷材料、即例如Al2O3、AlN或Be2O3。同样，硅由于其热学特性能够用作为基底材料。在该情况下，当然必须在工艺处理传感器之前施加电绝缘层。
在相应的传感器基底上，逐步地施加化对于构建传感器装置的不同部件所需的层或材料并且将其结构。在此，相应的层通常被动地设计并且例如具有限定的非传导性的特性(湿气灵敏的材料)或者限定的欧姆特性或焊接特性(金属层)等作为绝缘体。
在根据本发明的传感器装置的下面要阐述的三个实施例中，分别设有这种基础结构的湿度传感器。然而关于此点需要指出：原则上在本发明的范围中也能够使用湿度传感器的其他变体；在说明书的最后还简略描述其他的实施可行性。
根据本发明的传感器装置的不同的实施例在以下方面不同：温度传感器和加热元件在具有电容式湿度传感器的传感器基底上的设计和/或布置。
因此，在图6a、6b或7a、7b的两个传感器装置变体中分别提出：温度传感器同时用作为加热元件，而在根据图8a、8b的变体中将温度传感器和加热元件设置作为传感器基底上的单独的部件。全部下面描述的传感器装置变体的共同之处又在于：温度传感器和加热元件分别同样以薄层技术实施，并且由具有限定的温度相关的电阻特性的材料构成。
在根据图6a、6b的传感器装置133的实施例中，湿度传感器133.1以及由温度传感器和加热元件构成的组合单元133.2设置在传感器基底133.0的同一侧上。具体地在此提出：湿度传感器133.1通过电绝缘的绝缘层133.3分开地设置在在由温度传感器和加热元件构成的组合单元133.2的上方。经由接触端子133.4来电接触湿度传感器133.1，并且经由接触端子133.5来电接触由温度传感器和加热元件构成的组合单元133.2，并且分别与-在该图中未示出的-控制单元连接。
代替重叠的设置，在根据图7a、7b的传感器装置233的实施例中提出：湿度传感器233.1居中地或中央地设置在传感器基底233.1上，而由温度传感器和加热元件构成的组合单元233.2围绕湿度传感器133.1同样设置在传感器基底上。越过由温度传感器和加热元件构成的组合单元233.2设置有电绝缘的绝缘层233.3，湿度传感器133.1或其湿气可透过的覆盖电极不被所述绝缘层覆盖。附图标记233.4表示湿度传感器233.1的接触端子，并且附图标记233.5表示由温度传感器和加热元件构成的组合单元233.2的接触端子，所述部件又经由所述接触端子与-在该图中未示出的-控制单元连接。
在这两个实施例中，在由温度传感器和加热元件构成的组合单元133.2、233.2中，用于测量传感器装置133、233的局部温度的温度传感器分别同时用于加热湿度传感器133.1、233.1。对此，根据所需的加热功率和使用的加热方法，有针对性地改变或提高流经温度传感器的测量电流。然后，将温度传感器的由此得出的自加热用于有针对性地加热湿度传感器133.1、233.2，以防止结冰。
根据图9，如此构造的传感器装置433可以与在无线电探空仪中设置在下游的控制单元450连接。在此，湿度传感器433.1的测量值C被传输至控制单元450。由温度传感器和加热元件构成的组合单元433.2将关于传感器装置433的局部温度的测量值tloc传输到控制单元，控制单元经由测量电流I为了可能所需要的加热而作用于由温度传感器和加热元件构成的组合单元433.2上。在此，可以使用上面阐述的两个加热方法(静态、动态)。在此，在静态加热方法的情况下，通过测量电流I在大小不同的测量电流之间切换接通和切断加热。在使用动态加热方法时，加热功率通过测量电流I的限定的变化来调节，进而经由温度tloc来调节局部的传感器湿度。
但是，附加地在图9中还示出：无线电探空仪的传感机构单元的用于测量环境空气温度tgas的气体温度传感器432对于本发明并不重要。
传感器装置333的第三实施例在图8a和8b中示出。在此，从现在开始，温度传感器333.2b和加热元件333.2a作为单独的部件设置在传感器基底333.0上，即设置在其不同侧上。在传感器基底333.0的上侧，加热元件333.2a与在中央设置的湿度传感器333.1相邻地设置。加热元件333.2a又借助绝缘层333.3覆盖，而电容式湿度传感器333.1的区域、特别是其湿气可透过的覆盖电极保持可自由接近。在传感器基底333.0的下侧上在中央设置有温度传感器333.2b。温度传感器333.2b在此设计为NTC元件(Negative TemperatureCoefficient Thermistor负温度系数热敏电阻器)，其借助于导热胶333.7固定在传感器基底333.0的下侧上。此外，除了用于湿度传感器333.1的接触端子333.4之外，在该实施例中还设有用于加热元件333.2a以及用于温度传感器333.2b的单独的接触端子333.5、333.6。经由所述接触端子333.4、333.5、333.5，将不同的部件与设置在下游的-未在图8a、8b中示出的-控制单元连接。
根据图10，如此构造的传感器装置533可以与无线电探空仪中的设置在下游的控制单元550连接。在此，也将湿度传感器533.1的测量值C传输至控制单元550。此外，将温度传感器533.2a的关于传感器装置433的局部温度的测量值tloc传输到控制单元550。此外，控制单元550经由加热电流I为了可能所需的加热而作用于加热元件533.2b上。在此，可以再次使用上述两种加热方法(静态、动态)。在此，在使用静态加热方法时，通过加热电流I在大小不同的加热电流之间切换来接通和切断加热。在使用动态加热方法时，加热功率通过加热电流I的限定的变化来调节，进而经由温度tloc来调节局部的传感器湿度。
但是，在图10中同样还附加地示出：无线电探空仪的传感机构单元的用于测量环境空气温度tgas的气体温度传感器532对于本发明并不重要。
除了上面描述的实施例之外，在本发明的范围内显然还存在另外的设计可行性。
因此例如可行的是：也使用电容式湿度传感器的其他变体。代替平板电容器结构件之外，也可以使用具有交叉指型结构(Interdigitalstruktur)或台面(Mesa)结构的所谓的杂散场电容器。同样可以靠考虑的是，使用电阻式湿度传感器。
如果如上所述将硅用作传感器基底的材料，则温度传感器和加热元件于是也可以以半导体工艺用硅来构成，于是将湿度传感器以薄层工艺处理到传感器基底上。此外，在这种情况下，仍提供：将用于信号处理的电路和/或控制单元集成到传感器基底中。
还可行的是：将传感器装置的元件设置在作为传感器基板的薄膜片上，由此实现所需的加热功率的减小，进而实现测量时显著更短的时间常数。
此外，还可以提出：如下修改图8a、8b中所示的实施方式：将温度传感器处理到传感器基底的下侧上等等。

Claims (17)

1.一种用于运行传感器装置的方法，其中所述传感器装置包括湿度传感器、温度传感器以及加热元件，并且至少暂时地加热所述湿度传感器，
其特征在于，
在低于0℃的温度范围中，如果根据由所述湿度传感器所测量的关于水的根据WMO定义的相对湿度(UW)所确定的关于冰的根据标准定义的相对湿度(Ui)超过预设的冰湿度极限值(Ui,grenz)，经由所述加热元件(133.2；233.2；333.2a；433.2；533.2a)至少暂时地加热所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)，其中所述冰湿度极限值(Ui,grenz)选择作为关于冰的饱和方面的极限湿度，其中，低于0℃的温度范围中的所述冰湿度极限值(Ui,grenz)本身从相对湿度(Ui)的标准定义中选择作为恒定的冰湿度极限值(Ui,grenz)，使得在任何情况下在达到开始出现结冰的湿度极限值之前，能够加热所述湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相对湿度根据
Figure FDA0003322769400000011
得出，其中：
Ui：＝关于冰的根据标准定义的相对湿度
e：＝当前的水蒸气部分压力
ei(t)：＝关于冰面的饱和情况下的水蒸气部分压力
UW：＝关于水的根据WMO定义的相对湿度
eW(t)：＝关于水面的饱和情况下的水蒸气部分压力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在60％≤Ui,grenz≤90％的范围中选择所述冰湿度极限值(Ui,grenz)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据Ui,grenz＝75％来选择所述冰湿度极限值(Ui,grenz)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在第一湿度极限值(Ui,grenz_1)与第二湿度极限值(Ui,grenz_2)之间的预设范围中，经由所述加热元件(133.2；233.2；333.2a；433.2；533.2a)以恒定的加热功率加热所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)，其中所述第一湿度极限值(Ui,grenz_1)和所述第二湿度极限值(Ui,grenz_2)分别选择为关于冰的饱和方面的极限湿度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在85％≤Ui,grenz_1≤95％的范围中选择所述第一湿度极限值(Ui,grenz_1)，并且在65％≤Ui,grenz_2≤75％的范围中选择所述第二湿度极限值(Ui,grenz_2)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)从达到所述冰湿度极限值(Ui,grenz)起经由所述加热元件(133.2；233.2；333.2a；433.2；533.2a)以调节的方式加热，使得得到所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)的恒定的相对湿度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)的局部温度调节为，使得得到所述冰湿度极限值(Ui,grenz)大小的恒定的相对湿度。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在高于0℃的温度范围中，从预设的水湿度极限值(Uw,grenz)起，经由所述加热元件(133.2；233.2；333.2a；433.2；533.2a)至少暂时地加热所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)，其中将所述水湿度极限值(Uw,grenz)选择作为关于水的饱和方面的极限湿度。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法用于确定无线电探空仪中的相对湿度。
11.一种传感器装置，其中，所述传感器装置包括湿度传感器、温度传感器以及加热元件，并且经由作用于所述加热元件上的控制单元能够至少暂时地加热所述湿度传感器，
其特征在于，
所述控制单元(450；550)设计用于：在低于0℃的温度范围中，如果根据由所述湿度传感器所测量的关于水的根据WMO定义的相对湿度(UW)所确定的关于冰的根据标准定义的相对湿度(Ui)超过预设的冰湿度极限值(Ui,grenz)，经由所述加热元件(133.2；233.2；333.2a；433.2；533.2a)至少暂时地加热所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)，其中所述冰湿度极限值(Ui,grenz)选择作为关于冰的饱和方面的极限湿度，其中，低于0℃的温度范围中的所述冰湿度极限值(Ui,grenz)本身从相对湿度(Ui)的标准定义中选择作为恒定的冰湿度极限值(Ui,grenz)，使得在任何情况下在达到开始出现结冰的湿度极限值之前，能够加热所述湿度传感器。
12.根据权利要求11所述的传感器装置，其特征在于，所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)设计为平板电容器，所述平板电容器包括两个电极，在所述两个电极之间设置有湿度敏感的聚合物，并且其中所述两个电极中的一个设计为湿气能透过。
13.根据权利要求11所述的传感器装置，其特征在于，所述温度传感器和所述加热元件设计为组合单元，其中为了加热所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)，测量电流能够经由所述控制单元(450；550)而变化。
14.根据权利要求12或13所述的传感器装置，其特征在于，所述湿度传感器设置在传感器基底(133.0；233.0；333.0)的一侧上，并且与所述湿度传感器相邻地设置有由温度传感器和加热元件构成的组合单元。
15.根据权利要求12所述的传感器装置，其特征在于，所述湿度传感器设置在传感器基底的一侧上，并且与所述湿度传感器相邻地设置有所述加热元件，而在所述传感器基底的相对置的一侧上设置有所述温度传感器，所述温度传感器设计为NTC元件并且借助导热胶(333.7)固定在所述传感器基底上。
16.根据权利要求11所述的传感器装置，其特征在于，所述湿度传感器(133.1；233.1；333.1；433.1；533.1)、所述温度传感器以及所述加热元件(133.2；233.2；333.2a；433.2；533.2a)以薄层技术施加在由硅构成的传感器基底(133.0；233.0；333.0)上，所述传感器基底设有绝缘层。
17.根据权利要求11所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置用于确定无线电探空仪中的相对湿度。
CN201810370864.0A 2017-06-14 2018-04-23 用于运行传感器装置的方法和适合于此的传感器装置 Active CN109084827B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017210064.8 2017-06-14
DE102017210064.8A DE102017210064A1 (de) 2017-06-14 2017-06-14 Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung und hierzu geeignete Sensoranordnung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109084827A CN109084827A (zh) 2018-12-25
CN109084827B true CN109084827B (zh) 2022-03-08

Family

ID=62455337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810370864.0A Active CN109084827B (zh) 2017-06-14 2018-04-23 用于运行传感器装置的方法和适合于此的传感器装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11262477B2 (zh)
EP (1) EP3415958B1 (zh)
KR (1) KR102499009B1 (zh)
CN (1) CN109084827B (zh)
DE (1) DE102017210064A1 (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1186783A (en) * 1966-06-21 1970-04-02 Holley Carburetor Co Atmospheric Condition Indicating Devices
US4893508A (en) * 1988-12-13 1990-01-16 Viz Manufacturing Company Humidity sensing apparatus and method therefor
CN2927046Y (zh) * 2006-05-10 2007-07-25 华东师范大学 一种湿度传感器的加热装置
CN105806900A (zh) * 2014-08-20 2016-07-27 云南师范大学 一种湿度检测电路
CN106164657A (zh) * 2014-04-04 2016-11-23 日立汽车系统株式会社 湿度检测装置
CN106291763A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 南京信息工程大学 一种双加热数字探空仪及其加热控制算法
CN106501877A (zh) * 2016-09-30 2017-03-15 南京信息工程大学 一种dmc控制双加热数字探空仪及其加热控制方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3499717A (en) * 1968-11-26 1970-03-10 Inst Gas Technology Method and apparatus for avoiding exhaust plumes
US3596264A (en) * 1969-03-13 1971-07-27 Holley Carburetor Co Multichannel frost ice and snow detecting device
DE2619600A1 (de) * 1976-05-04 1977-11-17 Johannes Palmer Verfahren zur ermittlung der fuer die selbsttaetige warnsignalabgabe bei vereisungsgefahr von luftfiltern, schalldaempfern oder dergleichen, insbesondere an verdichtern, druckluftmaschinen, geblaesen benoetigten messwerten und vorwarnsignalgeraete unter verwendung des verfahrens
FI58402C (fi) * 1977-12-02 1981-01-12 Vaisala Oy Foerfarande foer nedsaettning av icke oenskvaerda egenskaper hos en elektrisk fuktighetsgivare
FI58403C (fi) * 1979-03-29 1981-01-12 Vaisala Oy Regleranordning i fuktighetsgivare
FI85770C (fi) * 1990-02-21 1992-05-25 Vaisala Oy Foerfarande i samband med impedansgivare i radiosonder.
FI96640C (fi) * 1993-08-23 1996-07-25 Vaisala Oy Menetelmä suhteellisen kosteuden mittaamiseksi, etenkin radiosondeissa
FI95626C (fi) * 1993-09-29 1996-02-26 Vaisala Oy Menetelmä ja järjestely kosteuden mittauksessa, etenkin radiosondeissa
FI99164C (fi) * 1994-04-15 1997-10-10 Vaisala Oy Menetelmä kastepisteen tai kaasupitoisuuden mittaamiseksi sekä laitteisto jäätymisen ennakoimista varten
AT1469U1 (de) 1996-04-10 1997-05-26 E & E Elektronik Gmbh Verfahren zum ermitteln der absoluten luftfeuchtigkeit
CN2360851Y (zh) * 1998-06-08 2000-01-26 广东省肇庆化工机械厂 外加热再生干燥装置露点控制仪
DE10335553A1 (de) 2003-08-02 2005-02-17 E + E Elektronik Ges.M.B.H. Verfahren und Anordnung zur Feuchtemessung
WO2014128348A1 (en) 2013-02-22 2014-08-28 Vaisala Oyj A radiosonde and a method for atmospheric measurements performed at an elevated temperature
DE102013206039A1 (de) * 2013-04-05 2014-10-09 Wobben Properties Gmbh Windenergieanlage und Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage
WO2014166496A1 (en) * 2013-04-12 2014-10-16 Vestas Wind Systems A/S Improvements relating to wind turbine sensors
JP6151567B2 (ja) * 2013-05-28 2017-06-21 株式会社大気社 氷点下で氷飽和以上の空気の含水量計測方法および計測装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1186783A (en) * 1966-06-21 1970-04-02 Holley Carburetor Co Atmospheric Condition Indicating Devices
US4893508A (en) * 1988-12-13 1990-01-16 Viz Manufacturing Company Humidity sensing apparatus and method therefor
CN2927046Y (zh) * 2006-05-10 2007-07-25 华东师范大学 一种湿度传感器的加热装置
CN106164657A (zh) * 2014-04-04 2016-11-23 日立汽车系统株式会社 湿度检测装置
CN105806900A (zh) * 2014-08-20 2016-07-27 云南师范大学 一种湿度检测电路
CN106291763A (zh) * 2016-09-30 2017-01-04 南京信息工程大学 一种双加热数字探空仪及其加热控制算法
CN106501877A (zh) * 2016-09-30 2017-03-15 南京信息工程大学 一种dmc控制双加热数字探空仪及其加热控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017210064A1 (de) 2018-12-20
EP3415958B1 (de) 2020-02-19
KR20180136369A (ko) 2018-12-24
EP3415958A1 (de) 2018-12-19
US11262477B2 (en) 2022-03-01
KR102499009B1 (ko) 2023-02-13
CN109084827A (zh) 2018-12-25
US20180364392A1 (en) 2018-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI96640C (fi) Menetelmä suhteellisen kosteuden mittaamiseksi, etenkin radiosondeissa
EP2762867B1 (en) Gas sensor with temperature control
US20100156663A1 (en) Radiosonde having hydrophobic filter comprising humidity sensor
US11226303B2 (en) Gas sensor for measuring a concentration of an analysis gas
US20180152989A1 (en) Planar Heating Element with a PTC Resistive Structure
US5814726A (en) Method for determining the absolute humidity of air
EP2203738B1 (en) Improved structure for capacitive balancing of integrated relative humidity sensor and manufacturing method
US20090272175A1 (en) Procedure for Measuring the Concentration of a Gas
JP3442503B2 (ja) ラジオゾンデ気象観測などにおける湿度測定方法と湿度測定構造
US11768122B2 (en) Liquid detection in a sensor environment and remedial action thereof
EP2975385B1 (en) Gas sensor
US20080061802A1 (en) Method and apparatus for controlling the sensitivity and value of a capacitive humidity sensor
CN106482752B (zh) 传感器装置和用于校准传感器装置的方法
JPH0151771B2 (zh)
KR101322354B1 (ko) 습도 센서, 습도 센싱 방법 및 이를 위한 트랜지스터
CN109084827B (zh) 用于运行传感器装置的方法和适合于此的传感器装置
US6566893B2 (en) Method and arrangement for monitoring surfaces for the presence of dew
Bakhoum et al. Miniature moisture sensor based on ultracapacitor technology
Stehle et al. Study of a silicon parallel plate capacitor as a dew point sensor
FI100739B (fi) Menetelmä suhteellisen kosteuden mittaamiseksi, etenkin radiosondeissa sekä menetelmää soveltava kosteusanturi
JP6536059B2 (ja) 湿度センサ
Kubota et al. Control of Heat Capacity of Moisture Sensor by Galvanic Arrays with Micro/Nano Gap
TWI328538B (zh)
JPH10132957A (ja) マイクロセンサ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant