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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der relativen
Feuchte eines Mediums. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf
eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
der relativen Feuchte eines Mediums, mit mindestens einem Feuchtesensor,
und mit mindestens einer Auswerteeinheit. Bei dem Medium handelt
es sich insbesondere um ein gasförmiges Medium
oder um eine Flüssigkeit.
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Bei
Messgeräten
für die
Messung der Feuchtigkeit oder der Temperatur werden im Stand der Technik
Sensoreinheiten verwendet, die durch Dünnschicht- oder Dickschichttechniken
erzeugt werden. Dabei werden entweder Kondensatoren erzeugt, deren
Dielektrikum auf die Feuchtigkeit reagiert oder es werden Widerstandsstrukturen
auf einem Träger
aufgebracht, wobei der elektrische Widerstand abhängig von
der Temperatur ist. Diese Sensorelemente sind üblicherweise sehr klein dimensioniert.
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Da
diese Feuchtesensoren bzw. Temperatursensoren als direkte Messgröße Kapazität bzw. elektrischen
Widerstand haben, ist für
die Bestimmung der Feuchte bzw. der Temperatur eine Kalibration
erforderlich, durch welche die Zuordnung zwischen eigentlicher Messgröße und daraus
abgeleiteter Messgröße stattfindet.
Bei Feuchtesensoren ist es insbesondere für die höhere Messgenauigkeit erforderlich, dass
auch die Auswirkungen der Temperatur erfasst und bei der Bestimmung
der Feuchte berücksichtigt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein kostengünstiges Verfahren zur Kalibration
eines Feuchtesensors bzw. dessen Umsetzung in einem entsprechenden
Messgerät
anzugeben.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung der relativen Feuchte
eines Mediums, wobei ein erster Messwert gemessen wird, welcher
abhängig
von der relativen Feuchte des Mediums ist, wobei der erste Messwert
verarbeitet, insbesondere digitalisiert wird, wobei ausgehend von dem
verarbeiteten, insbesondere digitalisierten ersten Messwert aus
einer hinterlegten ersten Tabelle ein dem ersten Messwert zugeordneter
unkompensierter kalibrierter Wert für die relative Feuchte entnommen
wird, und wobei mindestens aus dem unkompensierten kalibrierten
Wert für
die relative Feuchte der Wert der relativen Feuchte ermittelt wird.
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Im
erfindungsgemäßen Verfahren
wird somit ein erster Messwert bestimmt, welcher abhängig von der
relativen Feuchte ist, wobei es sich beispielsweise um die Kapazität eines
kapazitiven Feuchtesensors handelt. Dieser Messwert wird digitalisiert,
um ihn einfacher und besser verarbeiten zu können. Bei dieser Digitalisierung
kann beispielsweise auch eine Übertragung
zu einer anderen Größe stattfinden,
so z.B. eine Kapazität-Frequenz-Wandlung
oder Ähnliches.
Für diesen
ersten Messwert sind nun in einer ersten Tabelle Kalibrationsdaten
hinterlegt, welche also der Zuordnung zwischen dem Messwert und
der im Medium vorliegenden Feuchte dienen. Ausgehend von dem verarbeiteten
oder digitalisierten Messwert wird der Tabelle der zugeordnete Wert
für die
relative Feuchte entnommen. Daraus lässt sich die relative Feuchte
bestimmen, indem der Tabellen-Wert beispielsweise direkt ausgegeben
wird oder indem er mit passenden Korrekturtermen verrechnet oder
aus einer passenden Tabelle entnommen wird. D.h. die relative Feuchte
wird beispielsweise aus dem in der Tabelle hinterlegten und dem
ersten Messwert zugeordneten unkompensierten kalibrierten Wert für die relative
Feuchte berechnet. Die Reihenfolge ist somit: erster Messwert; verarbeiteter bzw.
digitalisierter Messwert; unkompensierter, aber kalibrierter Wert
für die
relative Feuchte und schließlich
daraus der Wert für
die relative Feuchte. Eine Art der Kompensation wird in den folgenden
Ausgestaltungen beschrieben.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass ein zweiter Messwert gemessen wird, welcher abhängig von
der Temperatur des Mediums ist, dass der zweite Messwert verarbeitet,
insbesondere digitalisiert wird, dass ausgehend von dem verarbeiteten,
insbesondere digitalisierten zweiten Messwert aus einer hinterlegten
zweiten Tabelle mindestens ein dem zweiten Messwert zugeordneter
Temperaturkompensationskoeffizient entnommen wird, und dass mindestens
aus dem unkompensierten kalibrierten Wert für die relative Feuchte und
aus dem Temperaturkompensationskoeffizient der temperaturkompensierte
Wert der relativen Feuchte ermittelt wird.
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In
dieser Ausgestaltung wird somit der Effekt der Temperatur mit in
die Bestimmung der relativen Feuchte aufgenommen, indem ein zweiter
Messwert ähnlich
wie beim ersten Messwert bestimmt und verarbeitet wird und indem
aus einer zweiten Tabelle ein entsprechender Kompensationskoeffizient
entnommen wird. Anschließend
werden beispielsweise der unkompensierte Wert für die relative Feuchtigkeit
und der Kompensationsterm passend verrechnet oder es wird beispielsweise
einer dritten Tabelle der temperaturkompensierte und kalibrierte
Wert für
die relative Feuchte entnommen.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass ausgehend von dem digitalisierten zweiten Messwert
aus einer hinterlegten zweiten Tabelle mindestens zwei dem zweiten
Messwert zugeordnete Temperaturkompensationskoeffizienten entnommen
werden, und dass mindestens aus dem unkompensierten kalibrierten
Wert für
die relative Feuchte und aus den zwei Temperaturkompensationskoeffizienten
der temperaturkompensierte Wert der relativen Feuchte ermittelt,
insbesondere berechnet wird. Je nach Art der Ermittlung des kompensierten
Wertes sind somit mindestens zwei Kompensationskoeffizienten erforderlich.
Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Temperatur-Kompensation über eine
lineare Funktion erfolgt. Bei Kompensationen höheren Grades sind entsprechend
mehr Koeffizienten erforderlich.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass der erste Messwert entsprechend dem Kalibrationsbereich
der in der hinterlegten ersten Tabelle hinterlegten unkompensierten kalibrierten
Werte angepasst wird. Je nachdem, ob der Bereich der relativen Feuchte
von 0 bis 100%, von 0 bis 50% oder von 50 bis 100% verwendet werden
soll, lässt
sich der erste Messwert passend verrechnen. Eine besondere Verrechnungsmöglichkeit gibt
die folgende Ausgestaltung an.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass der digitalisierte erste Messwert durch Bitshiften
dem Kalibrationsbereich angepasst wird. Der digitalisierte erste
Messwert wird also um eine passende Anzahl an Bits verschoben, um
damit eine Multiplikation mit bzw. Division durch zwei zu erreichen.
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Eine
weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet,
dass der digitalisierte erste Messwert durch Addition einer Konstanten dem
Kalibrationsbereich angepasst wird. Der digitalisierte erste Messwert
wird also um einen passenden Offset verschoben, um damit eine Verschiebung
des Bereiches zu erreichen.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe weiterhin durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
der relativen Feuchte eines Mediums, mit mindestens einem Feuchtesensor,
und mit mindestens einer Auswerteeinheit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist dabei derartig ausgestaltet, dass mindestens ein erster Analog-/Digitalwandler
zur Digitalisierung von Messwerten des Feuchtesensors vorgesehen
ist, dass mindestens eine erste Speichereinheit vorgesehen ist,
in welcher den Messwerten des Feuchtesensors zugeordnete unkompensierte kalibrierte
Werte für
die relative Feuchte hinterlegbar sind, wobei die Kalibrationswerte
sich auf die Kalibration des Feuchtesensors beziehen, und dass die Auswerteeinheit
derartig ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit zumindest ausgehend
von den unkompensierten kalibrierten Werten für die relative Feuchte die
relative Feuchte ermittelt. Die oben ausgeführten Details des Verfahrens
lassen sich auch entsprechend bei der Vorrichtung umsetzen. Das Messgerät zur Bestimmung
und/oder Überwachung der
relativen Feuchte weist zumindest einen Feuchtesensor auf, dessen
Messwerte digitalisiert werden. Den digitalisierten Messwerten sind
entsprechende kalibrierte Werte zugeordnet abgelegt, so dass die Auswerteeinheit
aus einer entsprechenden Tabelle als Beispiel einer Speichereinheit
ausgehend vom Messwert des Feuchtesensors den kalibrierten Wert entnehmen
und daraus den Wert für
die relative Feuchte bestimmen, beispielsweise berechnen kann. Für die Kompensation
dieses Messwerts z.B. in Hinsicht auf die Temperatur ist beispielsweise
die folgende Ausgestaltung vorgesehen.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass mindestens ein Temperatursensor vorgesehen ist,
dass mindestens ein zweiter Analog-/Digitalwandler zur Digitalisierung von
Messwerten des Temperatursensors vorgesehen ist, dass mindestens
eine zweite Speichereinheit vorgesehen ist, in welcher den Messwerten
des Temperatursensors zugeordnete Temperaturkompensationskoeffizienten
hinterlegbar sind, wobei die Temperaturkompensationskoeffizienten
sich auf die Temperarturkompensation der Messwerte des Feuchtesensors
beziehen, und dass die Auswerteeinheit derartig ausgestaltet ist,
dass die Auswerteeinheit zumindest ausgehend von den unkompensierten
kalibrierten Werten für
die relative Feuchte und den Temperaturkompensationskoeffizienten
die relative Feuchte ermittelt. In dieser Ausgestaltung ist auch ein
Temperatursensor vorgesehen, über
dessen Messwerte sich eine Temperaturkompensation realisieren lässt. Hierfür werden
in Analogie zur Verarbeitung der Messwerte des Feuchtesensors auch
Digitalisierung und eine Tabelle als Speichereinheit mit entsprechenden
Werten verwendet, wobei in diesem Fall in der Tabelle die entsprechenden
Kompensationsdaten abgelegt sind. Aus den beiden Messwerten für die Feuchte
und die Temperatur wird somit ein temperaturkompensierter und kalibrierter
Wert für
die relative Feuchte ermittelt bzw. errechnet.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass es sich bei der ersten Speichereinheit und/oder
bei der zweiten Speichereinheit um eine Look-Up-Table handelt. Mindestens eine
Speichereinheit ist somit in Form einer Look-up-Tabelle realisiert.
Eine Look-Up-Table (LUT) ist eine Datenstruktur, bzw. meist ein
(assoziatives) Array, in welchem zu bestimmten Werten verbundene
Wert abgelegt sind.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass es sich bei der ersten Speichereinheit und/oder
bei der zweiten Speichereinheit um einen zeitlichen Eimerkettenspeicher
mit Hardware- oder Software-Korrelator
handelt. Ein Eimerkettenspeicher ist dazu ausgelegt, zeitliche Signalverläufe aufzunehmen.
In Verbindung mit dem Korrelator wird eine Zuordnung zu anderen
festgelegten zeitlichen Signalverläufen realisiert. Damit ergibt
sich eine zeitliche Mustererkennung des Messsignals.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass es sich bei der Auswerteeinheit um einen ASIC handelt.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass es sich bei der Auswerteeinheit um einen Mikrocontroller
handelt. In einer weiteren Ausgestaltung weist die Auswerteeinheit
zumindest einen ASIC und/oder einen Mikrocontroller auf.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass mindestens der erste Analog-/Digitalwandler und/oder
der zweite Analog-/Digitalwandler
und/oder die erste Speichereinheit und/oder die zweite Speichereinheit
integrale Bestandteile der Auswerteeinheit sind/ist.
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Der
große
Vorteil des Verfahrens und der Messvorrichtung besteht darin, dass
so die relative Feuchte mit minimaler Rechenleistung und damit geringem
Stromverbrauch bestimmt wird.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In
der 1 sind schematisch die wesentlichen Bestandteile
des erfindungsgemäßen Feuchtemessgerätes dargestellt.
Der Feuchtesensor 1 erzeugt einen ersten Messwert, welcher
mit der relativen Feuchtigkeit in Zusammenhang steht. Im gezeigten
Fall handelt es sich dabei um einen kapazitiven Feuchtesensor, dessen
Kapazität
ein Maß für die Feuchtigkeit
ist, da die Feuchtigkeit sich auf das Dielektrikum auswirkt. Solche
Feuchtesensoren lassen sich beispielsweise durch die Dünnfilmtechniken
herstellen. Bei dem ersten Messwert handelt es sich somit um einen
Strom oder um eine Spannung.
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Da
die Temperatur bei der Bestimmung der relativen Feuchtigkeit Auswirkungen
hat, ist für
deren Messung ein Temperatursensor 2 vorgesehen, bei welchem
es sich hier beispielsweise um einen PT100 handelt, dessen elektrischer
Widerstand als zweiter Messwert ein Maß für die herrschende Temperatur ist.
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Beide
Sensoren 1, 2 sind mit einer Auswerteeinheit 3 verbunden.
Bei dieser Auswerteeinheit 3 handelt es sich im gezeigten
Fall um einen ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung
oder Application Specific Integrated Circuit). Diese Auswerteeinheit 3 empfängt somit
vom Feuchtesensor 1 einen ersten Messwert und von dem Temperatursensor 2 einen
zweiten Messwert. Aus diesen beiden Messwerten ermittelt die Auswerteeinheit 3 dann
die relative Feuchte, wobei dieser Wert insbesondere temperaturkompensiert
ist. Über
den Ausgang 4 ist die Auswerteeinheit 3 beispielsweise
an einen Bus oder eine beliebige Datenleitung beispielsweise über das I2C-Protokoll anschließbar. Über diesen Ausgang werden auch
ggf. die einzelnen Messwerte, d.h. sowohl relative Feuchte, als
auch die Temperatur separat ausgegeben, z.B. in einer vorgegebenen
und entsprechend mit dem Empfänger
koordinierten Reihenfolge.
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Der
erste Messwert des Feuchtesensors 1 wird über einen
ersten Analog-/Digitalwandler 11 digitalisiert.
Dieser digitalisierte Wert wird dann einem Bit-Shift unterzogen, d.h. entsprechend
der Kalibration des Feuchtesensors 1 bzw. entsprechend
den in der ersten Speichereinheit 16 hinterlegten Kalibrationsdaten
wird der Messwert entsprechend multipliziert oder dividiert. Anschließend wird
in der ersten Speichereinheit 16 nachgesehen, welcher kalibrierte Wert
für die
relative Feuchte passend zum verarbeiteten ersten Messwert hinterlegt
ist. D.h. in der ersten Speichereinheit 16 sind die Werte
hinterlegt, die sich nach der Kalibration des Feuchtesensors 1 ergeben. Die
Speichereinheit ist beispielsweise durch eine Look-up-Table realisiert
(als Bezeichnung sei LUT1 verwendet). Endlich ergibt sich somit
aus der gemessenen Kapazität
des Feuchtesensors 1 als ersten Messwert die relative Feuchte
%RHLUT1, welche der Kalibration des Feuchtesensors 1 entspricht,
welche jedoch z.B. in Bezug auf die Temperatur noch unkompensiert
ist. Für
diese Kompensation wird der zweite Messwert, d.h. ein Maß für den ohmschen
Widerstand des Temperatursensors 2, ebenfalls digitalisiert und
aus einem zweiten Speicher 17, bei welchem es sich hier
ebenfalls um eine Look-up-Table (LUT2) handelt, werden passende
Korrekturwerte entnommen. Im gezeigten Fall handelt es sich um zwei
Kompensationskoeffizienten A und B. Somit sind in dem zweiten Speicher 17 die
Daten hinterlegt, welche bei einer gegebenen Temperatur zur Kompensation
der Effekte dieses Temperatur zu verwenden sind.
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Die
Ergebnisse der beiden Speichereinheiten 16, 17 werden
dann auf eine Verrechnungseinheit 18 gegeben, welche über eine
Gleichung: %RHKomp, = A·%RHLUT1 +
B die temperaturkompensierte relative Feuchte ermittelt, d.h. insbesondere
berechnet.
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Die
erfinderische Vorrichtung sei daher noch einmal kurz zusammengefasst:
An einen ASIC als Auswerteeinheit 3 sind ein Feuchtesensor 1 und
ein Temperatursensor 2 direkt angeschlossen. Die jeweiligen
Messwerte werden digitalisiert und ggf. einem Bitshift unterzogen,
um einen gegebenen Kalibrationsbereich zu entsprechen. Anschließend werden für die Messwerte
aus Look-up-Tabellen 16, 17 die passenden kalibrierten
Werte bzw. die erforderlichen Kompensationskoeffizienten entnommen.
Mit diesen kalibrierten Werten und den Kompensationskoeffizienten
berechnet anschließend
der Auswerteeinheit 3 die kompensierte und kalibrierte
relative Feuchte des Mediums, bei welchem es sich beispielsweise
um ein gasförmiges
Medium oder um eine Flüssigkeit
handelt. Dieser Wert wird schließlich über einen Ausgang 4 beispielsweise
auf einen Feldbus oder eine beliebige andere Kommunikationsverbindung
ausgegeben.
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In
den Look-up-Tabellen 16, 17 können dabei auch weitere Kompensationskoeffizienten,
Kalibrations- oder beliebige andere Verrechnungsdaten hinterlegt
werden, um z.B. die Umrechung in andere Systeme (°C oder °F) zu ermöglichen.
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- 1
- Feuchtesensor
- 2
- Temperatursensor
- 3
- Auswerteeinheit
- 4
- Ausgang
- 11
- Erster
Analog-/Digitalwandler
- 12
- Zweiter
Analog-/Digitalwandler
- 13
- Shifter
- 16
- Erste
Speichereinheit
- 17
- Zweite
Speichereinheit
- 18
- Verrechnungseinheit