CN1678482A - 用于防止表面凝结的传感器单元、设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种传感器单元，该传感器单元在用于防止气体尤其水蒸气在物件表面上凝结的设备中使用，该传感器单元具有：用于测量物件温度的温度测量装置；露点确定装置，其用于确定围绕所述物体的大气中的气体的露点温度；以及校准和控制装置，其在操作上与所述温度测量装置和所述露点确定装置连接，并且利用所述校准和控制装置，用于增大物件温度和露点温度之间的温度差的调节装置被控制成为由所述温度测量装置和露点确定装置获得的数据的函数，以便防止物件温度降低至或低于该露点温度，其特征在于：所述露点确定装置构造为用于直接测量露点的露点传感器，以及所述温度测量装置构造为以无接触方式工作的温度传感器。本发明还涉及用于防止气体、尤其是水蒸气在物件表面上凝结的设备和方法。

Description

用于防止表面凝结的传感器单元、设备及方法
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的传感器单元、以及一种如权利要求12的前序部分所述的用于防止气体(特别是水蒸气)在物件的表面上凝结的方法。本发明还涉及一种用于防止气体(特别是水蒸气)在物件的表面上凝结的设备。
背景技术
如前序部分所述的传感器单元用于防止气体(特别是水蒸气)在物件的表面上凝结的设备，该传感器单元包括以下部件：用于测量物件温度的温度测量装置；露点确定装置，其用于确定在围绕物件的大气中的气体的露点；校准和控制装置，其有效地与所述温度测量装置及露点确定装置相连接，通过该校准和控制装置，可以对用于增加物件温度与露点温度之间的温度差异的装置进行控制和调整，以便使得该温度差作为由温度测量装置与露点确定装置的数据的函数，由此可避免物件温度降低至或低于露点温度。
在用于防止气体(特别是水蒸气)在物件的表面上凝结的方法、即如前序部分所述的方法中，进行了以下步骤：(a)测量物件温度，(b)确定在围绕该物件的大气中的气体的露点，(c)随着在步骤(a)中测得的所述物件温度和/或在步骤(b)中被确定的所述露点温度的变化，提高物件温度及/或降低露点温度，由此可避免物件温度下降至或低于露点温度。
这样的传感器单元或这样的方法可以用于工程处理中，并且可以用于汽车工程中。在汽车工程中，防止凝结、特别是水蒸气凝结在物件表面上则变得更为重要。例如，由于挡风玻璃上的“雾化”而可引起交通危险。
迄今为止，这样的传感器单元已经连同接触温度传感器一起被应用于电容式湿度传感器、电容式湿气传感器或基于传导性测量的类似装置中。电容式湿度传感器确定实际测定量作为“相对湿度”，即知道水蒸气的分压力的温度与气体的露点温度就可以确定的测定量。上述确定是根据水蒸气温度PD与干燥温度在单位相对湿度下的关系而进行。这些曲线一般绘制在“hx”图表上。在水蒸气温度PD相同的情况下、即、在水蒸气X(单位g/kg)相同的情况下，在干燥温度不同时测量的气体具有不同的“相对湿度”。
可由100％相对湿度的曲线确定的露点温度对“雾化”或表面凝结来说是决定性的因素。
作为“相对湿度”曲线，也可称为RH曲线，作为水蒸气压力在单位相对湿度下的一参数的干燥温度在低于0℃的范围内具有一可观的梯度，这标志着在这个范围内进行露点确定的灵敏度降低。
电容式湿度传感器也具有偏差漂移的缺点，即、在不会长时间地处于稳定状态。在处于很高或非常低的湿度水平时，会引起饱和或干燥效果，就特别容易发生这样的偏差。
最后，电容式湿度传感器易受变脏的影响，举例来说，如果烟雾在车的乘客车厢产生，则这一点则更值得注意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种上述类型的以多种方式使用的传感器单元及方法，在该方法中可以可靠地防止凝结。该传感器单元必须也在制造方面是特别廉价的。
通过具有权利要求1的技术特征的传感器单元以及具有权利要求12的技术特征的方法来实现本发明的目的。
依据本发明的传感器单元的有利方面以及依据本发明的方法的优选方面形成了从属权利要求的主题。
上述类型的传感器单元通过以下方式得到了有创造性的进一步特征，即露点确定装置构成为用于直接测量露点的露点传感器，而温度测量装置构成为以不接触的方式进行工作的温度传感器。
相应地，上述类型的方法通过以下方式得到了有创造性的进一步特征，即露点温度由露点传感器装接地测量，且以不接触的方式测量物件温度。
本发明的第一基础构思在于不再像以往那样通过测量相对湿度来直接确定露点温度，而是取而代之，通过露点传感器的辅助而直接测量露点温度。在确定相对湿度时的不确定性不再对露点温度起作用，在物件表面上的凝结可靠地被防止。
本发明的第二基础构思涉及以不接触的方式对物件温度的测量。具有创造性的传感器单元及具有创造性的方法当然可以以多种方式来使用。例如，也可以监控移动的物件来避免其表面的凝结。
以不接触的方式进行测量具有如下优点：没有能量从被测量的物件上转移。如果要确定表面温度，则这一方式特别有利，因为在频繁测量表面温度的情况下会引起如下问题：被使用的传感器元件使得能量从物件表面上排散，从而导致错误测量。另外，作为以不接触的方式进行测量的结果，可以通过适当选择大小、角度不同的孔来选择测量的区域，因此，例如可以进行表面的内部测量。在工业制造过程中对移动物件的监控尤其重要。
根据本发明的传感器单元可以廉价地制造并可以以低成本来大批量地生产。
优选地，使用润湿式传感器作为该露点传感器，其可以在所涉及的气体中测量表面润湿，即测量所述气体的凝结时作为测量部件使用。这导致要防止凝结时的物件表面状态类似于露点传感器。这就特别可靠地防止物件表面的凝结。
在特别优选的方式中，露点传感器由一传感器构造成，其测量原理利用了在气体凝结于测量物表面上时光反射及/或光散射尤其是内反射的转变。
这样的传感器例如从DE 199 32 438中获知，并且在结构紧凑、便宜的情况下具有很低的变脏灵敏度，同时具有容易清洗的可能性。如果利用气体来弄湿表面，即如果所述气体在该表面上凝结，则表面的光学特性、尤其是其反射率大大改变。这可非常精确地确定露点温度。
传感器的特别的优选方案涉及，其中测量由于测量气体在测量表面上的凝结而引起的内反射的转变，因为该反射转变在很大程度上与测量表面上可能例如由于灰尘引起的变脏无关。
温度传感器可以由红外线传感器构造成，并且原则上可以利用任何适合于红外线频谱范围的检测器、例如光电导单元、热电耦、测辐射热仪或半导体检测器、例如光电二极管。然而，优选地使用热电耦检测器。这种检测器可以以低成本获得并且允许精确的温度测量。
如果温度传感器配备有频谱滤波器，则温度测量的精度可以被进一步提高。该频谱滤波器尤其可以是8-14μm的窗口、即大气窗口。
还可以有另一个温度测量装置，其用于确定围绕物件的大气温度。这尤其涉及机动车辆乘客车厢中的温度确定。利用相应的调节装置并使用测量到的内部温度，假设相应的露点差，乘客车厢中的气候情况能够被调节到舒适的范围，这对乘客来说有相当大的益处。
在特别优选的方面中，本发明的传感器单元被容纳在共用的外壳中。这种紧凑结构允许该传感器单元具有多种用途并且容易替换该传感器单元。
本发明还涉及一种用于防止气体尤其是水蒸气在物件表面上凝结的设备，其具有一个根据本发明的传感器单元以及用于增大物件温度和露点温度之间的温度差的调节装置。
利用这种设备或系统可获得结合本发明的传感器单元解释的优点。
该调节装置可被构造为加热装置。其可以是用于直接加热物件的装置、例如后窗玻璃加热器和/或用于间接加热物件的装置、例如加热器鼓风机。
如果由于特殊的例如工艺的原因而不希望加热物件，则通过降低露点温度可以引起物件温度和露点温度之间的温度差增大。在这种情况下，该调节装置优选地被构造为用于减少围绕该物件的大气中的气体含量尤其是水蒸气含量的干燥装置。
根据本发明的装置尤其可用于防止机动车辆的窗的雾化。由于上述的根据本发明的传感器和现有技术之间的基本差别以及所获得的优点，利用这种装置尤其可以可靠地防止水蒸气在窗玻璃上凝结、即“雾化”，从而大大地增加乘客的安全性。
从校准和控制的观点看，由校准和控制装置来控制调节装置优选地用以下方式来实现，即物件温度和露点温度之间的温度差被保持在预定的最小温度差之上。
附图说明
在下文中参照附图来描述本发明的传感器单元和方法的其他优点和特征，其中：
图1示出了具有本发明的传感器单元的本发明设备的简图。
图2示出了例如可在本发明的传感器单元中使用的露点传感器的简图。
具体实施方式
图1中所示的设备具有根据本发明的传感器单元10和调节装置18，该调节装置例如可以是加热器鼓风机或后窗玻璃加热器。借助作为温度测量装置12的温度传感器40来确定物件20的表面温度，该温度传感器可以是热电耦传感器。该温度传感器40以无接触的方式在物件20的表面21上形成测量点22的红外线辐射，并且温度传感器40的接受范围由接受锥形区域13图示地表示。温度传感器40与校准和控制装置16连接。
传感器单元还具有作为露点确定装置14的露点传感器50，并且该露点传感器50也与校准和控制装置16连接。露点传感器50被用于确定图中所示的气体28的露点温度，该气体28围绕该物件并且尤其可能是水蒸气。露点传感器50优选地被构造为湿度传感器并且尤其被构造为DE 199 32 438中描述的那种类型的传感器。
温度传感器40、露点传感器50与校准和控制装置16被容纳在共用的外壳26中，这确保非常紧凑的结构。例如可以是加热器鼓风机也可以是后窗玻璃加热器的调节装置18由校准和控制装置16按以下方式进行控制，即防止气体28例如水蒸气在物件20的表面21上凝结。所测量的表面温度被用作为指导量。
如果存在导致凝结风险的、物件温度和露点温度之间的临界温度差，则必须执行相应的校正措施。
可以执行以下措施来作为校正措施：
a)加热物件20(物件温度和露点温度之间的温度差增大)；
b)使得围绕物件的大气“干燥”，(露点温度下降，即物件温度和露点温度之间的温度差增大)；
c)通过加热气体来间接加热物件(效果如同(a))；或者
d)a)-c)的组合。
由于实际的(真实)露点温度的确定，因此可以以有针对性的方式执行多项操作。在额外知道例如乘客车厢的内部温度的情况下，假定相对于露点的相应的温度差，温度和湿度等情况能够被调节到舒适的范围，这对乘客来说有相当大的益处。
如果需要简单的防雾化装置，则可以有利地引入△DT控制，为此目的而将物件温度用作为指导量。露点传感器50被调节到低于物件温度△DT值(例如5℃)的温度。一旦露点传感器50出现雾化的情况，执行操作a)-d)。这些操作可作为物件温度的函数而改变。
图2示出了以优选的方式在根据本发明的传感器单元中使用的类型的露点传感器。
该传感器的基本部件是光导件52，光线56从例如可以是发光二极管的发送器或源54耦合到该光导件52中。在光导件52的外表面上的多次内部反射之后，耦合输出的光线66到达接收器68，该接收器可以是光电二极管。珀耳帖(Peltier)元件74施加到光导件52的背面，这使得光导件能够以所限定的方式被冷却。
在测量期间，珀耳帖元件74使光导件52冷却，直到待测试的气体尤其是水蒸气在该光导件52的外表面60上凝结。这样的凝结层58在光导件52的表面60的左手区域中图解地示出。通过例如水使表面60润湿，使得内部反射的临界角上升超过光线56对于表面60的表面法线的入射角，因此与先前情况不同，光线不再在内表面上全反射，而是替代地从光导件52中耦合输出。由于这部分耦合输出的光线62，在接收器68中检测到的强度下降，因此可以推断出表面60变湿并且已达到露点温度。
图2中所示的传感器50具有的独特优点是尘土微粒64实际上不导致测量精度的退化，因为如果所述尘土微粒是干燥的，由于它们与光导件62的表面60的接触面与总面积相比是可以忽略的，所以它们只以可忽略的面积百分率导致全反射的临界角改变。
整个露点传感器50被紧凑地容纳在晶体管外壳70中，在该晶体管外壳70的下侧上配备有用于控制发送器54、Peltier元件74和用于读出接收器68的信号的端子72。
所示的露点传感器50的特征在于：非常小的、紧凑的结构以及再循环能力，该结构被设计成便于大规模生产。由于利用在测量表面上凝结期间的反射变化的测量原理，其构成一种主要方法，其中不需要计算待确定的量即露点温度，因此能够获得高精度。利用这种传感器，例如当与电容式传感器相比时，老化现象最小化。该传感器还有效地模拟在相应的温度下在窗玻璃上将发生的现象，即可能的雾化。
由于使用露点传感器50的测量原理具有很好的长期稳定性，所以不需要重新校准。由于变脏不会明显地影响灵敏度，并且还由于传感器容易清洗，因此获得低维护且更维护友好的操作。因此，露点传感器50的这些有利特征允许在存在尘土、颗粒、谷物等现场进行测量。
该传感器能够在-40℃和+100℃之间使用。当使用光导件来代替收发器时，温度范围能够被进一步提高，并且在这种情况下Peltier元件是限制因素。
这也限制了湿度使用范围。由于传感器原理基于饱和度，所以其总是接受100％RH。
根据本发明的传感器单元和方法的可能的应用领域除了在工艺中使用之外还有空气调节、医学和食品工程、尤其是自动工程，如已在上文中所讲述的。也可以在航空和太空航行工业以及质量控制领域中使用。

Claims (13)

1.一种传感器单元，该传感器单元在用于防止气体尤其水蒸气在物件表面上凝结的设备中使用，该传感器单元具有：
-用于测量物件温度的温度测量装置(12)；
-露点确定装置(14)，其用于确定围绕所述物体(20)的大气中的气体的露点温度；以及
-校准和控制装置(16)，其在操作上与所述温度测量装置(12)和所述露点确定装置(14)连接，并且利用所述校准和控制装置(16)，用于增大物件温度和露点温度之间的温度差的调节装置(18)被控制成由所述温度测量装置(12)和露点确定装置(14)获得的数据的函数，以便防止物件温度降低至或低于该露点温度，
其特征在于：
-所述露点确定装置(14)构造为用于直接测量露点的露点传感器(50)，以及
-所述温度测量装置(12)构造为以无接触方式工作的温度传感器。
2.如权利要求1所述的传感器单元，其特征在于，所述温度传感器被构造为红外线传感器。
3.如权利要求2所述的传感器单元，其特征在于，所述温度传感器是热电耦传感器。
4.如权利要求2或3所述的传感器单元，其特征在于，所述温度传感器配备有频谱滤波器。
5.如权利要求1-4之一所述的传感器单元，其特征在于，所述露点传感器(5)是以下类型的传感器，即其中测量原理是：当气体在测量表面(52)上凝结时，光反射和/或光散射尤其是内反射的改变。
6.如权利要求1-5之一所述的传感器单元，其特征在于，存在另一个温度测量装置，其用于确定围绕物件(20)的大气(28)的温度，尤其是机动车辆乘客车厢内的温度。
7.如权利要求1-6之一所述的传感器单元，其特征在于，其被容纳在共用外壳(26)中。
8.一种用于防止气体尤其是水蒸气在物件表面上凝结的设备，其具有如权利要求1-7之一所述的传感器单元(10)，以及具有用于增大物件温度和露点温度之间的温度差的调节装置(18)。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述调节装置构造为用于直接和/或间接加热物件的加热装置。
10.如权利要求8或9所述的设备，其特征在于，所述调节装置构造为用于降低围绕物件的大气中的气体含量、尤其是水蒸气含量的干燥装置。
11.如权利要求8-10之一所述的设备，其特征在于，其构造为用于防止机动车辆的窗雾化的设备。
12.一种用于防止气体尤其是水蒸气在物件表面上凝结的方法，具有以下方法步骤：
(a)测量物件温度，
(b)确定围绕物件的大气中气体的露点温度，
(c)随着在步骤(a)中测量的物件温度和/或在步骤(b)中确定的露点温度的变化，提高物件温度和/或降低露点温度，以便防止物件温度降低至或低于露点温度，
其特征在于，
-利用露点传感器直接测量该气体的露点温度，以及
-以无接触的方式测量该物件温度。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，物件温度和露点温度之间的温度差被保持在由校准和控制装置(16)预定的最小温度差之上。
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