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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße eines Mediums. Bei
der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise
um die Temperatur oder um die Feuchte. Das Medium ist eine Flüssigkeit,
ein Schüttgut, ein Fluid oder ein Gas.
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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. Zur Messung der Feuchte wird ggf. auch
das Streufeld eines Kondensators verwendet (z. B.
DE 102 03 816 C1 oder
DE 10 2004 050 345
A1 ).
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die beiden Messprinzipien der
Temperaturmessung bzw. der Feuchtemessung durch ein Sensorelement
zu realisieren, wobei eine möglichst platzsparende Ausgestaltung
angestrebt wird.
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Zur
Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einer Vorrichtung
zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße
eines Mediums, wobei eine Widerstandsleitung vorgesehen ist, wobei
mindestens eine Elektrodenleitung vorgesehen ist, und wobei die
Elektrodenleitung und die Widerstandsleitung derartig ausgestaltet
und aufeinander abgestimmt sind, dass sich vermittels der Elektrodenleitung
und der Widerstandsleitung ein Kondensator ergibt. Die erfindungsgemäße
Messvorrichtung weist somit einen Temperatursensor und einen Feuchtesensor
auf. Für die Temperaturmessung wird eine Widerstandsleitung
verwendet. Gleichzeitig dient die Widerstandsleitung mit einer Elektrodenleitung
auch als Kondensator, um über diesen die Feuchte zu bestimmen.
Hierfür ist die Widerstandleitung entsprechend in der Nähe
zur Elektrodenleitung angeordnet, beispielsweise auf einem entsprechenden
Substrat aufgebracht. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung
ermöglicht somit die Bestimmung bzw. Überwachung
von zwei Prozessgrößen. Unter Messvorrichtung
oder Vorrichtung zur Bestimmung bzw. Überwachung mindestens
einer Prozessgröße sei dabei sowohl ein Sensor
bzw. eine Sensoreinheit, als auch ein vollständiges Messgerät
verstanden, d. h. sowohl die Einheit für die eigentliche
Messung, als auch das komplette Gerät, in welchem die Einheit
ein Bestandteil ist. Dies jeweils in Abhängigkeit von der konkreten
Ausgestaltung. Insbesondere dient die Widerstandsleitung zur Bestimmung
und/oder Überwachung der Temperatur und dient der Kondensator
zur Bestimmung und/oder Überwachung der Feuchtigkeit. Erfindungsgemäß ist
also eine Elektrodenleitung vorgesehen und eine Widerstandsleitung
dient sowohl der Temperaturmessung, als auch als zweite Elektrodenleitung
für die Feuchtemessung.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Temperaturmesseinheit
vorgesehen ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass die Temperaturmesseinheit
vermittels der Widerstandsleitung die Temperatur bestimmt und/oder überwacht,
und dass mindestens eine Kapazitätsmesseinheit vorgesehen
ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass die Kapazitätsmesseinheit
die Kapazität des sich ergebenden Kondensators bestimmt
und/oder überwacht. In dieser Ausgestaltung sind somit
zwei elektronische Einheiten vorgesehen, welche die Temperatur-
bzw. Feuchtesensoren für die jeweiligen Messungen passend
ansteuern bzw. die Messwerte gewinnen.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Widerstandsleitung
zumindest abschnittsweise in Form einer Schleife ausgestaltet ist.
In einer alternativen Ausgestaltung sind zwei einzelne, im Wesentlichen
parallel zueinander verlaufende Leitungen durch eine Querleitung
miteinander verbunden.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenleitung
zumindest abschnittsweise im Wesentlichen mittig in der Schleife
angeordnet ist.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens zwei Widerstandsleitungen
vorgesehen sind. In einer Ausgestaltung sind die beiden Leitungen
im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und elektrisch miteinander
kontaktiert.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenleitung
zumindest abschnittsweise zwischen den zwei Widerstandsleitungen
angeordnet ist.
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Die
Widerstandsleitung bzw. -leitungen der vorhergehenden bzw. nachfolgenden
Ausgestaltungen sind dabei in unterschiedlicher Ausgestaltung angeordnet,
z. B. als Form von im Wesentlichen gerade Leitungen oder in Mäanderformen
oder in Spiralform.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens vier Widerstandsleitungen
vorgesehen sind, und dass die Elektrodenleitung zumindest abschnittsweise
zwischen den vier Widerstandsleitungen angeordnet ist. In dieser
Ausgestaltung sind somit vier Widerstandsleitungen vorgesehen, welche in
einer weiteren Ausgestaltung vorzugsweise zwei Paare bilden, wobei
die Elektrodenleitung überdies mittig zwischen den vier
Leitungen angeordnet ist. Somit lässt sich beispielsweise
eine Redundanz der Temperaturmessung erzielen bzw. in Abhängigkeit von
der Ansteuerung der Widerstandleitungen ergeben sich auch mit der
Elektrodenleitung unterschiedliche „Kondensatoren", welche
aufgrund des jeweils unterschiedlichen Abstands zwischen den Elektroden
(Elektrodenleitung bzw. Widerstandsleitung) unterschiedliche Kapazitäten
und somit auch unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kapazitätsmesseinheit
derartig ausgestaltet ist, dass die Kapazitätsmesseinheit
die Feuchte des Mediums vermittels des Streufeldverfahrens über den
sich ergebenden Kondensator bestimmt und/oder überwacht.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Kapazitätsmesseinheit
die Elektrodenleitung oder eine Widerstandleitung mit einem elektrischen
Wechselspannungsignal beaufschlagt, und dass die Kapazitätsmesseinheit
von dem sich ergebenden Kondensator ein elektrisches Wechselstromsignal
abgreift.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Temperaturmesseinheit
derartig ausgestaltet ist, dass die Temperaturmesseinheit vermittels des
elektrischen Widerstands der Widerstandsleitung die Temperatur bestimmt
und/oder überwacht. Für die Messung bzw. Überwachung
der Temperatur ist dafür vorzugsweise die Widerstands-Temperatur-Kennlinie
der Widerstandsleitung passend hinterlegt.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Auswerteeinheit
vorgesehen ist, welche zumindest ausgehend von der Kapazität des
sich ergebenden Kondensators die Feuchte des Mediums bestimmt und/oder überwacht.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenleitung
und die Widerstandsleitung, die einen Kondensator bilden, zumindest
teilweise von einer Schicht überdeckt sind.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Schicht zumindest
teilweise aus einem feuchteabhängigen Polymer besteht.
Die Schicht oberhalb des Kondensators dient teilweise auch als Dielektrikum
des Kondensators. Insbesondere die Feuchteabhängigkeit
erhöht die Empfindlichkeit für die Feuchte.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenleitung
und die Widerstandsleitung, die einen Kondensator bilden, zumindest
teilweise von einer Deckelektrode überdeckt sind.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Deckelektrode derartig
ausgestaltet ist, dass die Deckelektrode das Feld des Kondensators beeinflusst,
insbesondere abschirmt. Die Deckelektrode, welche vorzugsweise floatend
gehalten, d. h. nicht mit einem elektrischen Potential verbunden wird,
dient somit dem Zweck, das Streufeld des Kondensators passend zu
beschränken bzw. es abzuschirmen.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Deckelektrode derartig
ausgestaltet ist, dass die Deckelektrode zumindest teilweise durchgängig
für Wassermoleküle ist. Die Wassermoleküle können
somit durch die Deckelektrode hindurch beispielsweise in die Schicht
oberhalb des Kondensators eindringen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
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1:
eine Draufsicht auf eine schematische Anordnung zur Messung von
Temperatur und Feuchte, und
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2:
einen Schnitt durch eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Messvorrichtung.
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Die 1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung, welche eine Kombination aus einem Temperatursensor
und einem Feuchtesensor ist. Konkret handelt es sich hierbei um
einen Sensor, welcher durch entsprechende Auswerte- bzw. Steuereinheiten
zu einem kompletten Messgerät wird.
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Eine
Widerstandsleitung 1 ist hier in Form einer Schleife ausgestaltet
und dient dabei als Temperatursensor, d. h. rechts und links von
der Elektrodenleitung 2 befindet sich jeweils ein Teilstück
der Widerstandsleitung 1. Für die Messung beaufschlagt
beispielsweise die Temperaturmesseinheit 3 die Widerstandsleitung 1 mit
einem Gleichspannungssignal und aus dem sich ergebenden Widerstandswert
lässt sich die Temperatur berechnen, wenn die Temperaturabhängigkeit
des ohmschen Widerstandes der Widerstandsleitung 1 bekannt
ist. Für die Widerstandsmessung ist daher beispielsweise
die Widerstandsleitung 1 mit entsprechend – hier
nicht dargestellten – Anschlüssen verbunden, so
dass eine Messung von Strom und Spannung möglich ist. Vorzugsweise
ist auch die Verbindung mit Masse aufgehoben.
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Bei
der Feuchtemessung wird die Streufeldmessung angewendet. Hierfür
bilden die Elektrodenleitung 2 und die Widerstandsleitung 1 einen
Kondensator. Gelangt eine Flüssigkeit oder auch nur Feuchtigkeit
in der Nähe dieses Messkondensators, so ändert
sich dessen Kapazität. Um diese Kapazität auszumessen,
beaufschlagt die Kapazitätsmesseinheit 4 diesen
so gebildeten Kondensator mit einer Wechselspannung. Insbesondere
wird die Elektrodenleitung 2 mit der Wechselspannung beaufschlagt,
wohingegen die Widerstandleitung 1 mit Masse verbunden
ist. Aus dem, vorzugsweise von der Elektrodenleitung 2 abgegriffenen
Stromsignal wird – beispielsweise über einen ohmschen
Widerstand – ein Spannungssignal erzeugt, aus welchem der
Rückschluss auf die Feuchtigkeit möglich ist.
Verrechnet man diese absolute Feuchtigkeit mit der durch die Temperaturmessung
gemessenen Temperatur, so ergibt sich die relative Feuchtigkeit.
Dies geschieht beispielsweise durch die Auswerteeinheit 5,
welcher die Signale der Temperaturmesseinheit 3 und der
Kapazitätsmesseinheit 4 zugehen. Das Streufeldverfahren
nutzt insbesondere aus, dass sich nicht allein die Kapazität zwischen
den Elektroden, sondern auch im äußeren Bereich,
d. h. im Streufeld des Kondensators ändert. Somit ist es
beispielsweise möglich, den Sensor auf der Innenseite einer
Scheibe anzubringen und damit die Feuchtigkeit an der Außenseite
der Scheibe zu messen.
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In
dieser Ausgestaltung befindet sich die Elektrodenleitung 2 zwischen
einem Paar von Abschnitten der Widerstandsleitung 1. Durch
die Ansteuerung der Leitungen 1, 2 bzw. durch
den entsprechenden Signalabgriff dienen die Elektrodenleitung 2 und
die Widerstandsleitung 1 als Kondensator. Somit dient die
Widerstandsleitung 1 nicht nur der Temperaturmessung, sondern übernimmt
auch die Funktion einer weiteren Elektrode für die Streufeldmessung. Der
hier gezeigte symmetrische Aufbau (Temperaturmesswiderstandleitung – Elektrodenleitung – Temperaturmesswiderstandleitung;
alternativ sind zwei Widerstandsleitungen vorgesehen, welche ggf.
elektrisch miteinander kontaktiert sind) hat mindestens zwei Vorteile:
Zum einen ergeben sich somit zwei symmetrische Kondensatoren, welche
auch der Ausmessung von Störeffekten dienen. Zum anderen
lassen sich so zwei Messprinzipien bei einer nur geringen Platzerhöhung
sehr effektiv aneinander binden.
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Für
den prinzipiellen Aufbau befinden sich sowohl die Widerstandsleitung 1 als
auch die Elektrodenleitung 2 vorzugsweise auf einem Substrat,
welches hier nicht dargestellt ist. Die Leitungen 1, 2 sind dabei
in einer Dünnschicht- oder Dickschichttechnik hergestellt.
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In
der hier in 1 dargestellten Variante sind
sowohl die Widerstandsleitungen 1 als auch die Elektrodenleitungen 2 in
Form von geraden Leitungen dargestellt. In einer weiteren Ausgestaltung
sind die einzelnen Leitungen 1, 2 in einer Mäanderform auf
dem Substrat aufgebracht.
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In
der 2 ist ein seitlicher Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Messvorrichtung dargestellt. Zu sehen ist der Träger oder
das Substrat 8, auf welchem beispielsweise in einem Dünnschichtverfahren die
beiden Widerstandsleitungen 1 und die Elektrodenleitung 2 aufgebracht
sind. Die Elektrodenleitung 2 befindet sich dabei mittig
zwischen den beiden Widerstandsleitungen 1. Die Bestimmung
des elektrischen Widerstands der beiden Widerstandsleitungen 1,
welche passend miteinander verbunden sind, erlaubt die Bestimmung
der Temperatur. Die Kapazität des Kondensators wiederum,
welcher von der Elektrodenleitung 2 und einer Widerstandsleitung 1 – bzw. durch
die elektrische Verbindung der beiden Widerstandsleitungen miteinander
und durch die Anordnung der drei Leitungen bedingt den beiden Widerstandsleitungen – gebildet
wird, ist abhängig von der Feuchte, welche sich im Streufeld
des Kondensators bzw. ggf. auch im Dielektrikum befindet. Der Abstand zwischen
Elektrodenleitung und Widerstandsleitung liegt dabei beispielsweise
im Bereich von wenigen Millimetern.
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Oberhalb
des Kondensators, der von der Elektrodenleitung 2 und einer
Widerstandsleitung 1 gebildet wird und welcher entsprechend
für die Bestimmung der Kapazität kontaktiert ist,
befindet sich eine Schicht 6, welche beispielsweise abhängig
von der Feuchtigkeit ist. Diese Schicht 6 dient somit auch als
Dielektrikum für den Kondensator. Oberhalb der Schicht 6 wiederum
befindet sich eine Deckelektrode 7, welche vorzugsweise
flächig ausgestaltet ist und welche zumindest einen Teil
des Kondensators bedeckt und somit auch dessen Streufeld beeinflusst.
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- 1
- Widerstandsleitung
- 2
- Elektrodenleitung
- 3
- Temperaturmesseinheit
- 4
- Kapazitätsmesseinheit
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- Schicht
- 7
- Deckelektrode
- 8
- Träger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10203816
C1 [0002]
- - DE 102004050345 A1 [0002]