DE102007039990A1

DE102007039990A1 - Verfahren zur Feuchtemessung und zugehörige Einrichtung

Info

Publication number: DE102007039990A1
Application number: DE200710039990
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dr. Fries; Hans Latarius
Original assignee: Tekmar GmbH
Current assignee: Tekmar Regelsysteme De GmbH
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Ein Verfahren zur Erfassung von Umgebungsfeuchte. Ein in der Nähe einer Messoberfläche angeordnetes elektrisches Heizelement ist thermisch mit der Messoberfläche gekoppelt und wird mit einer Heizspannung versorgt. Die zum Heizen eingespeiste elektrische Energie wird wiederholt erfasst. Mit einem in der Nähe der Messoberfläche angeordneten und thermisch mit der Oberfläche gekoppelten Temperaturelement wird eine Temperatur wiederholt erfasst. Die Werte der erfassten Energiemenge und der erfassten Temperatur werden wiederholt ausgewertet und jeweils ein charakteristischer Wert für die Wärmekapazität der Messoberfläche wird ermittelt. Aus dem Wert für die Wärmekapazität wird ein charakteristischer Wert für die Umgebungsfeuchte ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feuchtemessung sowie eine zugehörige Einrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Feuchtemessung für überwachte Flächenbereiche, wobei eine Umgebungsfeuchte im Bereich einer Messoberfläche ermittelt wird.
Aus dem Stand der Technik sind Feuchtemesseinrichtungen z. B. in der Ausbildung als Schnee- und Eismeldeeinrichtungen bekannt, welche beispielsweise zur Steuerung eines Heizsystems an Auffahrten oder Dachanbauten verwendet werden.
Die EP 0 970 457 B1 beschreibt eine solche Eismeldeeinrichtung mit einem Feuchtefühler, wobei ein Heizstromkreis und eine Auswerteschaltung vorgesehen sind, die aus der Stromaufnahme des Heizelements ein Maß für die Feuchtigkeit entwickeln.
Aus der DE 40 32 734 C1 ist eine andere Schnee- und Eismeldeeinrichtung zur Steuerung eines Heizsystems bekannt. Die Umgebungsfeuchte wird über mindestens zwei offen liegende Elektroden dadurch ermittelt, dass ein Widerstand zwischen den Elektroden gemessen und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Widerstandswerts Feuchte signalisiert wird. Bei dieser bekannten Feuchtefühleranordnung wird ein Heizelement im Bereich der freiliegenden Elektroden angeordnet und eine benachbarte Eis- oder Schneeschicht abgeschmolzen und so in elektrisch leitfähiges Wasser umgewandelt. Der Widerstand zwischen den Elektroden wird durch das geschmolzene Wasser verändert.
Die bekannten Einrichtungen weisen jedoch verschiedene Probleme auf. Zum Beispiel sind die Einrichtungen regelmäßig empfindlich gegenüber Schwankungen der Spannung im Versorgungsnetz. Weiterhin sind sie meist nur dazu in der Lage, eine qualitative Aussage über die Feuchte (Feuchte ja, nein) bereitzustellen, während jedoch ein quantitatives Maß für die Feuchte nicht mit reproduzierbarer Verläßlichkeit bereitstellbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Feuchtemessung zu ermöglichen, welche die genannten Nachteile vermeidet und verlässlichere Aussagen für eine Umgebungsfeuchte liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erfassen von Umgebungsfeuchte wird ein elektrisch betreibbares Heizelement in der Nähe einer Messoberfläche angeordnet. Die Heizeinrichtung ist derart platziert, dass sie thermisch mit der an die zu überwachende Umgebung grenzenden Messoberfläche gekoppelt ist. Durch bauliche Maßnahmen wird eine thermische Kopplung an die übrigen Bereiche, also solche, die nicht zu Messoberfläche gerichtet sind, vermieden. Es wird also eine bis zur Messoberfläche reichende thermische Kopplung zwischen Heizelement und Messoberfläche aufgebaut und der thermische Einfluss der übrigen Umgebung minimiert.
Das Heizelement wird mit einer Heizspannung aus einer Spannungsquelle versorgt. Das Heizelement heizt sich dabei unter anderem in Abhängigkeit von Spannung, Heizwiderstand, Wärmekapazität der gekoppelten Umgebung (Messoberfläche), Zeitdauer der Aufheizung und der Wärmeüberleitung auf eine Temperatur auf.
Während des Aufheizens wird wiederholt die zum Heizen aufgebrachte elektrische Energiemenge erfasst. Dazu kann ein beliebiges Meßverfahren angewandt werden. Beispielsweise kann über Strom- und Spannungsmessungen eine Leistung erfaßt werden, welche zeitlich integriert wird und ein Maß für die aufgewendete Energie ergibt.
Mittels eines ebenfalls im Bereich der thermischen Kopplung mit der Oberfläche befindlichen Temperaturmesselements wird wiederholt ein Wert für die Temperatur erfasst. Die Erfassung von Temperatur und Energie erfolgt demnach nebeneinander. Die Temperaturermittlung kann über eine Erfassung von Signalen eines entsprechenden thermischen Sensors erfolgen, z. B. eines Thermoelements oder einer sonstige Einrichtung mit temperaturabhängiger Signalausgabe.
Es ist für die Ausführung der Erfindung nicht erforderlich, absolute oder Einheiten-echte Erfassungen der Energie und Temperatur vorzunehmen. Es ist lediglich dafür zu sorgen, dass charakteristische bzw. stellvertretende Werte für die aufgebrachte elektrische Energie und die Temperatur zu ermitteln sind.
Die Werte der erfassten Energiemenge und der Temperatur werden ausgewertet, wobei ein charakteristischer Wert für die Wärmekapazität der Messoberfläche ermittelt wird. Wie bekannt ist, ist die Wärmekapazität definiert als diejenige Energie, die bei einer gegebenen Temperatur zur Erwärmung eines Körpers um 1 Kelvin erforderlich ist. Da die übrige Umgebung von den Messeinrichtungen weitgehend thermisch entkoppelt ist, hat insbesondere die Messoberfläche und die darauf befindliche Materie Einfluss auf die Messungen. Wird ein Feuchtefühler gemäß der Erfindung oder mit erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt, so wird dieser zunächst in Kontakt mit der Umgebung gebracht, deren Feuchte zu erfassen ist. Dazu wird die Messoberfläche der zu überwachenden Umgebung ausgesetzt und die weiteren Komponenten des Feuchtefühlers, der weitgehend thermisch von den für die Messung relevanten Teilen entkoppelt ist, können z. B. in ein Gehäuse oder eine Aufnahme im Boden eingesetzt werden. Falls in der Umgebung ein Feuchteniederschlag, eine Eisbildung oder ein Schneefall erfolgt, so wird auch ein Schneeüberzug, Eisüberzug oder eine Regenbedeckung der Messoberfläche erfolgen. Das führt dazu, dass die mit dem Heizelement thermisch gekoppelte Umgebung eine veränderte Wärmekapazität gegenüber einer trockenen Umgebung aufweist.
Nach jeder der wiederholten Erfassung von Messwerten erfolgt eine Auswertung. In die Auswertung können neben den Energiewerten und Temperaturwerten auch die Messdauer sowie weitere ermittelte Werte einbezogen werden. Die Auswertung kann außerdem einzelne oder eine Folge von zurückliegenden Messwerten berücksichtigen. Sobald nach vorgegebenen Kriterien eine verlässliche Aussage über die Wärmekapazität getroffen werden kann, wird das Auswerteergebnis als Messergebnis betrachtet und die Messung beendet. Ist noch keine endgültige Auswertung möglich, wird die wiederholte Messung fortgesetzt.
Erfindungsgemäß erfolgt bei dem Verfahren demnach im Gegensatz zum Stand der Technik keine statische Auswertung von Meßdaten und auch keine zeitlich momentane Messung sondern eine Analyse und Auswertung des dynamischen Aufheizverhaltens des Sensors. Bei der Auswertung kann jeweils der Wert der bisher aufgebrachten Energie berücksichtig werden oder es wird eine zeitliche Folge der Energiewerte und Temperaturwerte berücksichtigt. Durch die Erfassung der zum Heizen aufgebrachten Energiemenge fließt der gesamte Zeitraum der Messung, also beginnend vom Zeitpunkt der Bereitstellung der Heizspannung, in die Messung ein. Im Stand der Technik werden hingegen Momentaufnahmen zur Auswertung herangezogen, die das dynamische Verhalten nicht berücksichtigen. Die bekannten Verfahren nehmen einzelne Messungen, ggf. nach einer Einlaufzeit und Aufheizphase des Systems vor. Dadurch lassen sie die Dynamik und Historie des Aufheizverhaltens unberücksichtigt und sind außerdem von momentanen Störungen stark abhängig. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann hingegen ein aussagekräftiges quantitatives Maß für die Feuchte der Umgebung ermittelt werden.
Aus der Ermittlung der Wärmekapazität kann schließlich eine Aussage über die Umgebungsfeuchte getroffen werden, da die Oberfläche je nach Bedeckung eine charakteristische Wärmekapazität und Aufheizverhalten zeigt. Zu der Ermittlung des Feuchtewertes können bei einer Kalibrierung erhaltene oder empirische Werte, welche abrufbar gespeichert sind, herangezogen werden.
Hat eine erfolgreiche Auswertung stattgefunden oder ist die Auswertung aus einem sonstigen Grund beendet worden, so wird die Heizspannung von dem Heizelement abgenommen und die während der Messung erwärmten Komponenten des Feuchtefühlers kühlen ab. Bevor eine erneute Messung und Auswertung vorgenommen wird, kann es sinnvoll sein, eine Abkühlzeit einzuhalten oder die Angleichung der Temperatur des Feuchtefühlers an die Umgebungstemperatur zu überwachen und abzuwarten.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das zum Heizen verwendete Element auch als Temperaturelement verwendet und die Temperatur wird erfasst, indem der elektrische Widerstand des Elements erfasst wird.
Das Verfahren wird durch Zusammenfassung von Heiz- und Temperaturmesselement weiter vereinfacht, da z. B. zur Erfassung der Energie verwendete Messdaten auch zu Temperaturerfassung verwendet werden können. Für dieses Verfahren eignen sich Materialien als Heizelemente, welche im überstrichenen Temperaturbereich eine deutliche Temperaturabhängigkeit im Widerstandsverhalten zeigen, z. B. polykristalline Keramiken, wie sie für die Fertigung von Thermistoren verwendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird zunächst die Umgebungstemperatur erfaßt und die Umgebungstemperatur flieht in die Auswertung der Energiewerte und Temperaturwerte ein.
Zur Erfassung der Umgebungstemperatur ist jedes beliebige Thermoelement oder jede thermische Meßeinrichtung geeignet.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Umgebungstemperatur mit einem zusätzlichen Temperaturelement gemessen.
Die Verwendung getrennter Temperaturelemente hat Vorteile, da ein Abgleich der Temperaturaussagen vorgenommen werden kann, um den Zustand des Messfühlersystems zu prüfen. Insbesondere wenn das Heizelement auch als Temperaturmesselement verwendet wird, bietet eine weiteres Temperaturelement eine gute Vergleichsbasis für die Abfrage des Aufheiz- oder Abkühlzustandes des Heizelementes. Die Aussage eines Temperaturmesselementes kann auch für weitere Zwecke verwendet werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nur dann, wenn die Umgebungstemperatur überhaupt eine für den jeweiligen Anwendungsfall relevante Temperatur erreicht, z. B. bei der Schnee- oder Eiserfassung, die Ausführung des Feuchtemessverfahrens überhaupt erfolgt. Beispielsweise kann die Ausführung der Erfassung der Umgebungsfeuchte davon abhängen, ob die Temperatur eine Grenze von z. B. 5°C unterschreitet. Bei dem Verfahren kann dann eine entsprechende Steuerschaltung vorgesehen werden, die das Verfahren zum Erfassen der Umgebungsfeuchte in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Temperaturerfassung der Umgebung initiiert. Die Umgebungstemperatur kann beispielsweise mittels eines Thermistors erfasst werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird das Messverfahren ausgeführt bis eine erfolgreiche Auswertung vorliegt oder eine vorgegebene maximale Messdauer erreicht wird.
Bei der Ausführung des Verfahren wird, wie oben beschrieben, die Auswertung nach jeder der wiederholten Messwertaufnahmen ausgeführt und die Messung bei Vorliegen eines finalen Ergebnisses beendet. Es ist jedoch sicherzustellen, dass die Messung bei Messproblemen nicht derart lange fortgesetzt wird, bis die Messumgebung durch die Heizeinwirkung übermäßig verändert wird. Dies kann z. B. vorkommen, wenn auf der Messoberfläche befindliches Eis abgeschmolzen wird oder Feuchte durch die Erwärmung verdampft. Die maximale Messdauer oder maximal zulässige Messtemperatur wird entsprechend je nach Anwendung vorgegeben.
Vorzugsweise wird das Messverfahren nach Ausführung eines Messdurchlaufs (also bis Erreichen eines Ergebnisses oder Ablauf der zulässigen Messdauer) ausgesetzt, wobei die Heizspannung abgenommen wird und das Heizelement sowie die gekoppelte Umgebung abkühlt. Diese Ruhe- oder Abkühlphase kann eine vorgegebene Zeitdauer haben oder in Abhängigkeit von überwachten Parametern variabel sein. Zum Beispiel kann die Abkühlkurve des Heizelements überwacht werden und eine neue Messung gestartet werden, sobald ein vorgegebener Temperaturwert erreicht oder eine Temperaturänderung pro Zeiteinheit unterschritten wird. Die Messphasen und die Ruhephasen werden zyklisch wiederholt. Da auch die Messphasen nicht eine zeitlich konstante Dauer haben (das Erreichen eines Messergebnisses kann unterschiedlich lange dauern), haben die Zyklen regelmäßig keine feste Periodendauer.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Heizelement ein PTC-Widerstand verwendet wird und dessen elektrischer Widerstand als charakteristischer Wert der Temperatur des Heizelements erfasst wird.
PTC-Widerstände oder Kaltleiter haben innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs einen sehr großen positiven Temperaturkoeffizienten. Derartige Leiter weisen einen mit steigender Temperatur stark steigenden elektrischen Widerstand auf. Wird ein solcher PTC-Widerstand als Heizelement verwendet, so können zwei physikalische Effekte ausgenutzt werden. Einerseits ist es möglich, aufgrund der deutlichen Widerstandsänderung mit der Temperatur über eine einfache Widerstandsmessung des Heizelements (z. B. realisiert über eine Strom- und Spannungsmessung) ein charakteristisches Maß für dessen Temperatur zu ermitteln, da der Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand bekannt ist. Andererseits zeigen derartige Materialien eine Art Selbstregelungseffekt, womit gemeint ist, dass durch den mit steigender Temperatur steigenden Widerstand der Stromfluß automatisch begrenzt wird. Die Stromaufnahme des Heizelements regelt sich daher selbst.
Wird demnach ein PTC-Widerstand als Heizelement verwendet, so können Temperaturmessungen des Heizelements und Aufheizung besonders vorteilhaft kombiniert werden, da z. B. eine Messung des Stromflusses durch die Heizeinrichtung sowohl für die Energieerfassung als auch für die Widerstandsermittlung des Heizelements verwendet werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und den beiliegenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuersystems für eine Freiflächenheizung, welches das erfindungsgemäße Messverfahren anwendet.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Schaltung der Feuchtemesseinrichtung sowie zugehöriger Messgrößen.
3 zeigt eine beispielhafte Auswertung der erfassten Messdaten für verschiedene Umgebungsbedingungen und Feuchtemesseinrichtungen.
Bei dem in 1 gezeigten Steuersystem ist eine Freiflächenheizung 1 über ein Relais 2 mit einer Steuerlogik, welche eine Prozessor 3 enthält, verbunden. Als Benutzerschnittstelle hat die Steuerlogik eine Anzeige 4 und Bedientasten 5. Ferner weist das System einen Programmspeicher 6 sowie eine Rücksetzfunktion 7 auf. Eine Stromversorgung 8 ist mit der Netzspannung 9 gekoppelt und weist sowohl eine Gleichspannungsausgabe als auch eine Wechselspannungsausgabe auf. Die Gleichspannung wird dem Teil der Steuerlogik, bestehend aus Prozessor 3, Programmspeicher 6 und Rücksetzfunktion 7 bereitgestellt. Die Wechselspannung liegt an einem Relais 10 an. Der Prozessor kann das Relais 10 über eine Steuerleitung 11 zur Durchleitung der Wechselspannung an einen Shunt 12 ansteuern. Der Shunt 12 ist mit dem Feuchtesensor 13 gekoppelt, wobei eine unmittelbare Kopplung mit einem PTC-Widerstand 14 im Feuchtesensor besteht. Der Feuchtesensor 13 weist außerdem einen NTC-Widerstand 15 auf. Der Shunt 12 und der NTC-Widerstand 15 sind mit einem Messverstärker 16 gekoppelt, welcher eine Signalausgabe an den Prozessor 3 liefert.
In Abhängigkeit von dem Signal des Messverstärkers 16 aktiviert der Prozessor das Relais und damit die Flächenheizung 1.
In 2 ist ein Teil des Steuersystems detaillierter dargestellt. Über das dargestellte Relais 10 kann der Messstromkreis geschlossen werden, so dass Strom durch den Shunt 12 sowie den PTC-Widerstand 14 fließt. Die über den Shunt 12 abfallende Spannung U_S kann am Messverstärker erfasst werden. Die im Messstromkreis angelegte Spannung U_T wird ebenfalls am Messverstärker erfasst. Der Feuchtesensor 13 weist außerdem den NTC-Widerstand 15 auf, welcher für die Prüfung der Anfangsbedingung abgefragt wird, d. h. zur Abfrage, ob die Umgebungstemperatur überhaupt eine Feuchtemessung erforderlich macht.
Im Folgenden wird ein Messprinzip mit den theoretischen Überlegungen zur Auswertung bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Befindet sich der Feuchtesensor in thermischer Kopplung mit der Umgebung, deren Feuchte zu erfassen ist, so teilt sich die in den Sensor fließende Leistung auf in einen Teil, der die Sensortemperatur erhöht und einen anderen Teil, der an die Umgebung abgegeben wird: Pein = PErhöhung + PVerlust
Für eine Berücksichtigung einer Zeitspanne vom Start bis zu einem bestimmten Messzeitpunkt gilt: ∫Pein dt = ∫PErhöhung dt + ∫PVerlust dt
Die Temperaturerhöhung des PTC-Elementes, seiner Umgebung im Sensor und der Messoberfläche ist – bei konstanter Umgebungstemperatur – gleich der seit Messbeginn in den Sensor geflossenen Leistung geteilt durch die Wärmekapazität des Sensors (bzw. des aufgeheizten Teils des Sensors): ΔTSensor = ∫PErhöhung/CSensor dt = 1/CSensor·∫PErhöhung dt bzw. ∫PErhöhung dt = ΔTSensor·CSensor
Die Verlustleistung ist bei sonst konstanten Bedingungen proportional der Temperaturerhöhung des Sensors, multipliziert mit seiner Wärmeübergangszahl. PVerlust = ΔTSensor(t)·KSensor bzw. ∫PVerlust dt = ∫ΔTSensor(t) dt·KSensor zusammengefasst ergibt sich: ∫Pein dt = CSensor·ΔTSensor(t) + KSensor·∫ΔTSensor(t) dt
In erster Näherung kann für Fälle, in denen die Aufheizung schnell genug erfolgt, der Anteil der Verlustleistung vernachlässigt werden und es gibt sich: ∫Pein dt = CSensor·ΔTSensor(t)mit E(t) = ∫P_ein dt als in den Sensor geflossene Energie zum Zeitpunkt t folgt CSensor = E(t)/ΔTSensor(t).
Der Widerstand eines PTC-Widerstandes ist eine Funktion seiner Temperatur. Wiederum gilt in erster Näherung ΔTSensor ≈ RSensor und damit CSensor = E(t)/ΔRSensor(t).
Weil der Widerstand zum Start der Messung nahezu unabhängig von der Sensortemperatur ist, kann dies vereinfacht werden zu CSensor ≈ E(t)/RSensor(t)
Der jeweilige aussagekräftige Auswertungspunkt ist dabei in Abhängigkeit der Kennlinie der PTC-Elementes möglichst so zu wählen, dass

a) eine maximale Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur gegeben ist,
b) der Wärmefluss bereits bis zur Messoberfläche und dem darauf befindlichen Wasser/Schnee/Eis erfolgt ist und
c) die Verlustleistung vernachlässigt werden kann. Durch empirische Untersuchungen wurde festgestellt, dass der Zeitpunkt der Auswertung für optimale Ergebnisse in Abhängigkeit von dem Kurvenverlauf gewählt werden sollte und die Zeit t_M bis zum Auswertepunkt mit zum Ergebnis beiträgt. Ein vorläufiger charakteristischer Feuchtewert F_vorläufig ergibt sich dann zu (als Kehrwert Von C_Sensor) Fvorlufig = (RSensor(tM)tM)/E(tM)

Durch weitere empirische Untersuchungen wurden als geeignete zusätzliche Korrekturfaktoren innerhalb der Einsatzgrenzen für die Umgebungstemperatur die absolute Temperatur des Sensors beim Start der Messung und für die Versorgungsspannung die Spannung am Sensor beim Start der Messung ermittelt. Hieraus ergibt sich der endgültige charakteristische Feuchtewert zu F = (RSensor(tM)·tM·(UT(t0) – US(t0))/(E(tM)·TSensor absolut(t0))
Unter Bezug auf die 1 bis 3 wird nun ein Ablauf einer Feuchtemessung gemäß dem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Eine neue Feuchtemessung startet zu einem Zeitpunkt, an dem davon ausgegangen werden kann, dass der gesamte Sensor die Umgebungstemperatur angenommen hat (da durch eine Feuchtemessung der Sensor partiell aufgeheizt wird, ist hierzu ein aus reichender zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Feuchtemessungen notwendig).
Vor Beginn der Messung wird die Temperatur des Sensors mithilfe des NTC-Widerstandes und einer geeigneten Messschaltung ermittelt. In Abhängigkeit von dieser Temperatur entscheidet die Steuerlogik, ob überhaupt eine Feuchtemessung zum Zwecke einer Feststellung von Eis- oder Schneegefahr durchzuführen ist. Beispielsweise wird die Feuchtemessung nur durchgeführt, wenn die Temperatur des Sensors weniger als 5°C beträgt. Ist dies der Fall, wird die Temperatur als „Starttemperatur" T_{Sensor absolut}(t₀) für die Auswertung gespeichert. Zum Start der Feuchtemessung wird die Stromversorgung des PTC-Elementes über das Relais 10 eingeschaltet.
Beginnend mit dem Zeitpunkt t₀ werden in geeignetem Zeitabstand (z. B. 1 Sekunde) die Messwerte für die Spannung am Transformator U_T und am Shuntwiderstand U_S gemessen und aufgezeichnet.
Die Messung endet entweder, wenn die mitlaufende Auswertung zu einem Ergebnis gekommen ist oder spätestens, wenn eine für den jeweiligen Sensortyp festgelegte Zeit (z. B. 250 Sekunden) abgelaufen ist.
In 3 sind die Messungen für drei verschiedene Sensoren S1, S2 und S3 für trockene (S1T, S2T, S3T) und feuchte (S1F, S2F, S3F) Umgebungsbedingungen wiedergegeben.
Als besonders geeignete und verlässliche Auswertungsmethode hat sich das folgende Auswertungsprinzip herausgestellt. Dabei werden zur Auswertung bereits während des Messvorgangs aus den Messwerten laufend die nachfolgenden Werte ermittelt: RSensor(t) = (UT – US)/(US/Rshunt) E(t) = Σ(P(t)·Δt) mit P = (UT – US)2/RSensor = (UT – US)·US/Rshunt f(t) = E(t)/RSensor(t) sowie dessen zeitliche Ableitung f'(t)
Das Minimum von f'(t) wird als der Punkt der maximalen negativen Steigung von f(t) bestimmt. An diesem Punkt wird, die Tangente an f(t) berechnet (die Tangente ist durch f(t) und die Steigung f'(t) eindeutig festgelegt). Die Tangenten sind in 3 an die jeweiligen Kurvenverläufe angelegt und dargestellt.
Der weitere Kurvenverlauf f(t) wird ausgewertet und das dem Punkt maximaler negativer Steigung folgende Minimum von f(t) wird ermittelt (horizontale Geraden durch lokale Minima der Kurvenverläufe in 3). Schließlich wird der Punkt S_M ermittelt, an dem die Tangente an f(t) den ermittelten Minimalwert annimmt. In 3 sind die ermittelten Punkte SM-S1T, SM-S2T und SM-S3T für die trockenen Umgebungsbedingungen und SM-S1F, SM-S2F und SM-S3F für feuchte Umgebungsbedingungen gezeigt.
Nach dieser Auswertung liegt als Messergebnis einerseits die Messzeit t_M vor, diese entspricht dem Zeitwert von S_M, außerdem der Minimalwert von f(t), dieser ergibt den Wert für R_Sensor(t_M)/E(t_M).
Die Messung wird beendet, sobald der Minimalwert für f(t) ermittelt werden konnte und entsprechend eine Auswertung möglich ist. Der Feuchtewert der Messung wird gemäß der Auswertung dieses Ausführungsbeispiels berechnet zu F = (tM·(UT(t0) – US(t0))/(f(tM)·TSensor absolut(t0))·100wobei der Faktor 100 willkürlich gewählt wurde, um die Feuchtewerte in einen für den Nutzer besser begreifbaren Bereich zu transformieren.
Es ist in 3 klar zu sehen, dass auch die bei unterschiedlichen Sensoren und durch Herstellungstoleranzen hervorgerufenen Unterschiedlichen absoluten Messwerte eine verlässliche Auswertung des Feuchtegrades zulassen. Dabei ist das Verfahren und die Auswertung weit weniger abhängig von z. B. Spannungsschwankungen als herkömmliche Verfahren, da keine einmaligen Messungen durchgeführt werden, sondern eine zeitliche Auswertung des Aufheizverhaltens erfolgt.
Im Rahmen der Erfindung sind beliebige andere Auswertungsalternativen denkbar. Wesentlich ist, dass die Auswertung auf dem dynamischen Verhalten der Messwerte basiert und das Aufheizverhalten des Heizelements überwacht und ausgewertet wird. Dazu ist es lediglich erforderlich, dass jeweils ein charak teristischer Wert für die aufgewandte Heizenergie und die Temperatur erfasst und in geeigneter Weise ausgewertet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0970457 B1 [0003]
- DE 4032734 C1 [0004]

Claims

Verfahren zum Erfassen von Umgebungsfeuchte, wobei ein in der Nähe einer Messoberfläche angeordnetes und thermisch mit der Oberfläche gekoppeltes elektrisches Heizelement mit einer Heizspannung versorgt wird, wiederholt die zum Heizen eingespeiste elektrische Energiemenge erfasst wird, wiederholt mit einem in der Nähe der Oberfläche angeordneten und thermisch mit der Oberfläche gekoppelten Temperaturelement eine Temperatur erfasst wird, wiederholt die Werte der erfassten Energiemenge und der erfassten Temperatur ausgewertet werden und jeweils ein charakteristischer Wert für die Wärmekapazität der Messoberfläche ermittelt wird, aus dem Wert für die Wärmekapazität ein charakteristischer Wert für die Umgebungsfeuchte ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Heizelement auch als Temperaturelement verwendet wird und zur Temperaturbestimmung dessen elektrischer Widerstand erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zunächst eine Umgebungstemperatur erfasst und gespeichert wird und wobei die Umgebungstemperatur in die Auswertung einbezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Umgebungstemperatur mit einem zusätzlichen Temperaturelement gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei nach Ermittlung der Umgebungsfeuchte oder spätestens nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer die Heizspannung vom Heizelement für eine Abkühlzeitdauer während einer Abkühlphase abgenommen wird, wobei das Messverfahren und die Abkühlphase zyklisch wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Abkühlzeitdauer variabel ist und die erneute Messung in Abhängigkeit von einer erfassten Temperatur oder einem erfassten zeitlichen Temperaturverlauf eines Temperaturelements gestartet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine zeitliche Folge der erfassten Energie- und Temperaturwerte gespeichert und ausgewertet wird, wobei jeweils eine Teilmenge der Werte ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei aus der Folge der Energie- und Temperaturwerte eine zeitliche Folge von charakteristischen Werten für die Wärmekapazität gebildet wird, eine erste Ableitung der Folge charakteristischer Werte für die Wärmekapazität gebildet wird, zur Ermittlung der Umgebungsfeuchte ein Extremwert der ersten Ableitung aufgesucht wird, der Schnittpunkt einer Tangente an die zeitliche Folge der charakteristischen Werte für die Wärmekapazität an dem Ort des Extremwertes mit einer Horizontalen durch einen benachbarten Extremwert der zeitlichen Folge charakteristischer Werte für die Wärmekapazität ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Heizelement ein PTC-Widerstand verwendet wird.
Messeinrichtung für Umgebungsfeuchte, mit einer Messoberfläche, die an eine Umgebung angrenzt, deren Umgebungsfeuchte zu ermitteln ist, einer Heizeinrichtung, welche mit einer Spannungsquelle und einer Steuereinrichtung gekoppelt und zum Aufheizen ansteuerbar ist, wobei die Heizeinrichtung mit der Messoberfläche thermisch gekoppelt ist, einer Energie-Messeinrichtung, welche die in die Heizeinrichtung eingebrachte Heizenergie erfasst, wobei die Messeinrichtung zum Messen des die Heizeinrichtung durchfließenden Stromes und zum Messen der anliegenden Spannung ausgebildet ist, einer Temperatur-Messeinrichtung, welche ebenfalls mit der Messoberfläche thermisch gekoppelt ist, wobei den Messeinrichtungen eine Auswertelogik zugeordnet ist, wobei die Auswertelogik ausgebildet ist, um aus erfassten Energiewerten und Temperaturwerten einen charakteristischen Wert für die Wärmekapazität der Messoberfläche zu berechnen, wobei die Auswertelogik in Abhängigkeit von der berechneten Wärmekapazität einen Wert für die Umgebungsfeuchte ableitet und in Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchte ein Signal ausgibt.
Messeinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Auswertelogik eine zeitliche Folge von Messwerten der Energie-Messeinrichtung und der Temperatur-Messeinrichtung speichert.
Messeinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement der Heizeinrichtung ein PTC-Widerstand ist.