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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung des Feuchtegehalts eines Umgebungsmediums mit einem feuchtesensitiven Sensorelement und mit einer Elektronikeinheit zur Beaufschlagung des Sensorelements mit einem Anregungssignal, zum Empfangen eines Messsignals und zum Auswerten des Messsignal in Bezug auf den Feuchtegehalt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Sensorelement zur kapazitiven Bestimmung des Feuchtegehalts eines Umgebungsmediums. Mittels des Verfahrens bzw. Vorrichtung ist die relative Feuchte des Umgebungsmediums bestimmbar.
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Aus dem Stand der Technik sind so genannte Umgebungssensoren zur Feuchtemessung bekannt, welche den Feuchtegehalt des den Sensor umgebenden Mediums bestimmen. Derartige Sensoren bedienen sich unterschiedlicher Messverfahren. Weit verbreitet sind kapazitive Feuchtesensoren, bei welchen der Feuchtegehalt an Hand der feuchteabhängigen Dielektrizitätskonstanten eines zwischen zwei Kondensatorplatten eingefassten Dielektrikums erfasst wird. Hierzu wird die Kapazität des mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagten Kondensators bestimmt. Auf Grund von Varianzen in den Parametern derartiger Feuchtesensoren ergibt sich für verschiedene Feuchtesensoren eine jeweils andere sensorspezifische Grundkapazität. Die Größenordnung der Streuung der Werte der Grundkapazität kann hierbei im Bereich der auf Grund einer Feuchteänderung auftretenden Änderung des Kapazitätswertes liegen, sodass diese Streuungen nicht vernachlässigbar sind. Um einem gemessenen Kapazitätswert den entsprechenden Wert des Feuchtegehalts zuordnen zu können ist deshalb vor der Inbetriebnahme eine Justierung jedes Feuchtesensors erforderlich. Bekannte Justierverfahren sind ziemlich kompliziert. Insbesondere beim Einsatz einer Vielzahl an Feuchtesensoren ist das Justieren der Feuchtesensoren entsprechend aufwendig.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Feuchtegehalts bereitzustellen, welche keine aufwendige Justierung erfordert. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, das Sensorelement mit einem ersten Anregungssignal mit mindestens einer ersten Frequenz zu beaufschlagen und ein erstes Messsignal zu empfangen, und das Sensorelement mit einem zweiten Anregungssignal mit mindestens einer von der ersten Frequenz verschiedenen zweiten Frequenz zu beaufschlagen und ein zweites Messsignal zu empfangen, und dass die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, zumindest aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal einen Messwert zu bilden, aus welchem der Feuchtegehalt bestimmbar ist, oder die Vorrichtung zumindest mittels des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals zu justieren und nachfolgend das Sensorelement mit einem Anregungssignal mit einer Messfrequenz zu beaufschlagen und aus dem empfangenen Messsignal den Feuchtegehalt zu bestimmen.
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Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet zwei Varianten. In einer ersten Variante erfolgt die Messung derart, dass kein Justieren erforderlich ist. In einer zweiten Variante erfolgt die Messung wie gewöhnlich, jedoch nach einem Justieren auf einfache Art und Weise. Beide Varianten werden ermöglicht durch ein Beaufschlagen des Sensorelements mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen.
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Zur Bestimmung des Feuchtegehalts ohne vorangehende Justierung beaufschlagt die Elektronikeinheit das Sensorelement mit zumindest zwei, vorzugsweise genau zwei, Anregungssignalen unterschiedlicher Frequenz und empfängt jeweils ein Messsignal. Das Messsignal repräsentiert die feuchteabhängige Kapazität des Sensorelements. Neben der Feuchte hängt das Messsignal auch von der Frequenz des Anregungssignals ab. Durch die Aufnahme zweier Messsignale bei unterschiedlichen Frequenzen ist ein Offset, dessen Wert spezifisch für jedes Sensorelement ist, kompensierbar, sodass eine Justierung entfällt.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung unterscheiden sich die erste Frequenz und die zweite Frequenz um mindestens eine Größenordnung, vorzugsweise um mindestens zwei Größenordnungen, voneinander. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei den Anregungssignalen um harmonische Signale, insbesondere Sinussignale, einer bestimmten Frequenz. In einer anderen Ausgestaltung handelt es sich bei den Anregungssignalen um eine Überlagerung harmonischer Signale, sodass das Anregungssignal ein Frequenzspektrum aufweist, wobei jedoch eine Frequenz dominiert. Die dominante Frequenz des ersten Anregungssignals und die dominante Frequenz des zweiten Anregungssignals unterscheiden sich hierbei voneinander. Vorzugsweise besteht zwischen der dominanten ersten Frequenz des ersten Anregungssignals und der dominanten zweiten Frequenz des zweiten Anregungssignals ein maßgeblicher Unterschied, vorzugsweise um mindestens zwei Größenordnungen.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist in der Elektronikeinheit mindestens eine Kennlinie zur Bestimmung des Feuchtegehalts aus dem mindestens einen empfangenen Messsignal hinterlegt. Beispielsweise ist eine Kennlinie hinterlegt, welche dem aus den beiden Messsignalen bei Beaufschlagung mit zwei unterschiedlichen Frequenzen gebildeten Messwert einen Feuchtegehalt zuordnet. Bei der Bestimmung des Feuchtegehalts mittels einer Beaufschlagung mit nur einer Frequenz gibt die Kennlinie den Zusammenhang des Messwerts bei der Beaufschlagung mit dem Messsignal und dem Feuchtegehalt an.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur des Umgebungsmediums aufweist, und dass die Elektronikeinheit die Temperatur bei der Bestimmung des Feuchtegehalts berücksichtigt. Beispielsweise sind mehrere Kennlinien hinterlegt, welche jeweils einer bestimmten Temperatur oder einem Temperaturbereich zugeordnet sind. In Abhängigkeit der gemessenen Temperatur ist dann die passende Kennlinie auswählbar und an Hand dieser der Feuchtegehalt bestimmbar.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektronikeinheit dazu ausgestaltet ist, zur Kompensation von Temperatureffekten das Sensorelement mit mindestens einem dritten Anregungssignal mit einer dritten Frequenz zu beaufschlagen, ein drittes Messsignal zu empfangen und den Feuchtegehalt zumindest an Hand des ersten Messsignals, des zweiten Messsignal und des dritten Messsignals zu bestimmen.
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In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich bei dem Sensorelement um einen zwischen mindestens zwei Elektroden angeordneten Kristall mit einer Perowskit-Struktur, insbesondere Bariumtitanat oder Blei-Zirkonat-Titanat, oder um eine in einem Dünn- oder Dickschichtverfahren auf ein Substrat aufgebrachte Struktur aus mindestens zwei Elektroden und einer dielektrischen Zwischenschicht.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit einem Sensorelement zur kapazitiven Bestimmung des Feuchtegehalts eines Umgebungsmediums dadurch gelöst, dass das Sensorelement mit einem ersten Anregungssignal mit einer ersten Frequenz beaufschlagt und ein erstes Messsignal erzeugt wird, dass das Sensorelement mit einem zweiten Anregungssignal mit einer zweiten Frequenz beaufschlagt und ein zweites Messsignal erzeugt wird, und dass zumindest aus dem ersten Messsignal und dem zweiten Messsignal ein Messwert gebildet wird, aus welchem der Feuchtegehalt bestimmt wird oder dass die Vorrichtung zumindest mittels des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals justiert und das Sensorelement nachfolgend mit einem Anregungssignal mit einer Messfrequenz beaufschlagt und der Feuchtegehalt bestimmt wird.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird aus dem ersten Messsignal ein erster Kapazitätswert und aus dem zweiten Messsignal ein zweiter Kapazitätswert bestimmt, und der Messwert wird durch Quotientenbildung aus dem ersten Kapazitätswert und dem zweiten Kapazitätswert gebildet.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird die Temperatur des Umgebungsmediums gemessen und bei der Bestimmung des Feuchtegehalts berücksichtigt oder eine Temperaturabhängigkeit wird kompensiert.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden die Anregungssignale mit einer Frequenz zwischen 10Hz und 100MHz, vorzugsweise zwischen 100Hz und 10MHz, erzeugt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren bezüglich der Vorrichtung und des Verfahrens gemeinsam näher erläutert.
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1 zeigt einen kapazitiven Feuchtesensor in schematischer Darstellung.
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In
1 ist ein kapazitiver Feuchtesensor
1 mit integriertem Temperatursensor
3 dargestellt, welcher zur Bestimmung der relativen Feuchte des Umgebungsmediums, in der Regel der Umgebungsluft, dient. Der Temperatursensor
3 kann auch separat ausgeführt sein. Der dargestellte Feuchtesensor
1 ist in Dünnschicht- oder Dickschichttechnik hergestellt. Die sensitive Schicht des Temperatursensors
3 und das feuchtesensitive Sensorelement
6 sind hierbei nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat
2 angeordnet. Vorteilhaft ist jedoch auch eine Anordnung von feuchtesensitivem Sensorelement
6 und temperatursensitiver Schicht übereinander in einer Sandwichkonstruktion. Ein derartiger Aufbau ist bekannt und beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 102009026439 A1 beschrieben.
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Die Erfindung wird am Beispiel des in Dünn- oder Dickschichttechnik ausgeführten Feuchtesensors erläutert. Prinzipiell ist die Erfindung für beliebige auf dem kapazitiven Prinzip beruhende Feuchtesensoren anwendbar. Das Sensorelement kann beispielsweise auch als Würfel aus einem Material mit Perowskit-Struktur, beispielsweise Bariumtitanat oder Blei-Zirkonat-Titanat, ausgestaltet sein, wobei zwei gegenüberliegende Seitenflächen des Würfels jeweils mit einer Elektrode beschichtet sind. Im Gegensatz zu den typischen Schichtdicken der Dünn- oder Dickschichttechnik im Bereich von einigen Hundert Nanometern bis Mikrometern, allenfalls auch einigen Millimetern, liegen die Abmessungen eines derartigen Kristallwürfels in der Größenordnung von einem Kubikzentimeter.
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Das Substrat 2 des Feuchtesensors 1 ist beispielsweise aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Glas, oxidiertem Silizium oder Siliziumoxid gefertigt. Auf einer der beiden flachen Seitenflächen des Substrats 2 ist ein Temperatursensor 3 in Form einer temperatursensitiven Schicht, beispielsweise eine mäanderförmige Platinschicht, aufgebracht. Neben dem Temperatursensor 3 befindet sich das feuchtesensitive Sensorelement 6 des Feuchtesensors 1. In einem so genannten Sandwichaufbau ist die temperatursensitive Schicht mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht bedeckt, auf welche die Schichten des feuchtesensitiven Sensorelements 6 aufgebracht sind.
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Das feuchtesensitive Sensorelement 6 weist zumindest eine erste Elektrode, ein Dielektrikum und eine zweite Elektrode in einem Schichtaufbau auf. Bei dem Dielektrikum handelt es sich beispielsweise um ein Polymer. Die Elektroden bilden einen Kondensator, dessen Kapazität von der Dielektrizitätskonstanten, auch Permittivität genannt, des dazwischen liegenden Dielektrikums abhängt. Da die Permittivität von dem Feuchtegehalt der Umgebung abhängig ist, ist die Kapazität ein Maß für die relative Feuchte bei der vorliegenden Umgebungstemperatur.
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Das feuchtesensitive Sensorelement 6 und der Temperatursensor 3 sind über elektrische Zuleitungen 5 mit einer Elektronikeinheit 4 verbunden. Bei der Elektronikeinheit 4 handelt es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller. Die Elektronikeinheit 4 stellt die Steuer- und Auswerteeinheit des Feuchtesensors 1 dar.
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Zur Aufnahme eines Messsignals, aus welchem ein Wert für die Kapazität des Sensorelements 6 und somit ein Messwert für den Feuchtegehalt ermittelbar ist, beaufschlagt die Elektronikeinheit 4 die Elektroden des Sensorelements 6 mit einem Anregungssignal. Bei dem Anregungssignal handelt es sich um eine elektrische Wechselspannung, vorzugsweise in Form eines Sinus oder eines Rechtecksignals. Es kann sich aber auch um eine Überlagerung harmonischer Signale mit einem Frequenzspektrum handeln, wobei eine Frequenz dominiert.
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Jedes Sensorelement 6 verfügt über eine spezifische Grundkapazität, welche die Kapazität bei Standardbedingungen für Temperatur und Feuchte bezeichnet. Der Wert dieser Grundkapazität unterliegt auf Grund von Streuungen in den Parametern des Sensorelements 6 ebenfalls starken Streuungen. Die Kapazität eines Sensorelements 6 lässt sich folgendermaßen darstellen: C(RH, T) = C0·g(RH, T) wobei RH die relative Feuchte, T die Temperatur, C0 die Grundkapazität und g eine Funktion bezeichnen. Um über diese Formel bei bekannter Temperatur die Kapazität eindeutig einem Feuchtegehalt zuordnen zu können, ist die Kenntnis der Grundkapazität C0 erforderlich.
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In einer ersten Variante der Erfindung entfällt die Justierung des Feuchtesensors 1 zur Bestimmung der Grundkapazität. Hierzu wird ausgenutzt, dass die Kennlinie, d.h. die Funktion g(RH, T), weiterhin von der Frequenz f des Anregungssignals, mit welchem die Elektroden des Sensorelements 6 beaufschlagt werden, abhängig ist.
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Bildet man den Quotienten aus zwei bei unterschiedlichen Frequenzen f1, f2, gewonnenen Kapazitätswerten kürzt sich die Grundkapazität C
0 heraus. Für den Quotienten aus den beiden Kapazitätswerten ergibt sich daher eine neue Funktion h(RH, T, f1, f2), welche unabhängig von der Grundkapazität ist:
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Ist der Unterschied zwischen den beiden Funktionswerten g1 und g2 im Rahmen der Messgenauigkeit messbar und verläuft die resultierende Kennlinie monoton, erhält man durch die Funktion h eine eindeutige Zuordnung zwischen den messbaren Größen und dem zu ermittelnden Feuchtegehalt. Die beiden Frequenzen f1 und f2 unterscheiden sich vorzugsweise um mindestens eine Größenordnung voneinander. Vorteilhaft ist ein Unterschied von mindestens zwei Größenordnungen. Hierdurch weisen die beiden Funktionswerte g1 und g2 einen ausreichend großen Abstand zueinander auf, um eindeutig voneinander unterscheidbar zu sein. Beispielsweise beträgt die erste Frequenz f1 ca. 100Hz und die zweite Frequenz f2 ca. 100kHz.
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Die Funktion h ist für alle baugleichen Sensorelemente 6 gleich, sodass eine Justierung nicht erforderlich ist. Der Feuchtesensor 1 kann hierdurch sofort nach der Installation in Betrieb genommen werden. Die Elektronikeinheit 4 des erfindungsgemäßen Feuchtesensors 1 erzeugt ein erstes Anregungssignal mit einer ersten Frequenz f1 und ein zweites Anregungssignal mit einer zweiten Frequenz f2 und beaufschlagt das Sensorelement 6 zur Bestimmung eines Messwertes zumindest jeweils einmal mit dem ersten und dem zweiten Anregungssignal. Das erste bzw. zweite Anregungssignal kann auch mit einem Frequenzspektrum mit einer dominanten ersten Frequenz bzw. einer dominanten zweiten Frequenz erzeugt werden. Vorzugsweise wird das Sensorelement 6 abwechselnd mit dem ersten Anregungssignal und dem zweiten Anregungssignal beaufschlagt. Die beiden Frequenzen f1, f2 sind hierbei vorzugsweise fest vorgegeben. Aus den bei der jeweiligen Beaufschlagung empfangenen Messsignalen wird jeweils die Kapazität ermittelt und der Quotient der Kapazitätswerte gebildet. Dieser Quotient ist unabhängig von einer sensorspezifischen Grundkapazität. An Hand einer hinterlegten Kennlinie ist aus diesem Messwert der Feuchtegehalt bestimmbar. Diese Darstellung gilt zumindest bei einer Referenztemperatur, da der ermittelte Messwert in der Regel eine Temperaturabhängigkeit aufweist. Vorzugsweise sind verschiedene Kennlinien für verschiedene Temperaturen hinterlegt, sodass mittels der mit dem Temperatursensor bestimmten Temperatur die passende Kennlinie auswählbar und der Feuchtegehalt an Hand dieser Kennlinie korrekt bestimmbar ist.
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In einer anderen Ausgestaltung erfolgt eine mathematische Temperaturkompensation, d.h. eine Messung der Umgebungstemperatur entfällt. Hierzu erzeugt die Elektronikeinheit 4 mindestens ein weiteres Anregungssignal mit einer weiteren Frequenz, welche von der ersten und der zweiten Frequenz verschieden ist, und empfängt ein entsprechendes Messsignal. Die drei Frequenzen sind vorzugsweise derart voneinander verschieden, dass die Messsignale bei den Frequenzen in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur signifikant voneinander abweichen. Die Frequenzen sind vorzugsweise aus einem Bereich zwischen 10Hz und 100MHz gewählt. Beispielsweise betragen die Frequenzen ca. 100Hz, ca. 100kHz und ca. 10MHz. Da sich das Temperaturverhalten verschiedener Sensortypen unterscheidet, sind die mindestens drei Frequenzen für jeden Sensortyp individuell zu ermitteln. Weiterhin ist es auch möglich, für verschiedene erwartete Temperaturbereiche unterschiedliche Frequenzen zu verwenden.
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In einer zweiten Variante der Erfindung wird das Sensorelement 6 mit den zumindest zwei Anregungssignalen mit den voneinander verschiedenen Frequenzen f1 und f2 beaufschlagt und an Hand der bei diesen Anregungssignalen erzeugten und von der Elektronikeinheit 4 empfangenen Messsignale eine Justierung vorgenommen. Es können auch Anregungssignale mit weiteren Frequenzen erzeugt werden, sodass redundante Information geschaffen und somit eine genauere Justierung ermöglicht wird. Die eigentliche Messung des Feuchtegehalts erfolgt dann mittels einer gewöhnlichen Ein-Punkt-Messung, d.h. die Elektronikeinheit 4 erzeugt ein Anregungssignal mit nur einer Messfrequenz, wobei die Messfrequenz von den zur Justierung verwendeten Frequenzen verschieden oder gleich sein kann. Vorzugsweise liegt die Messfrequenz in einem Frequenzbereich, welcher durch die Justierung abgedeckt wurde. Das bei der Messfrequenz erzeugte Messsignal ist durch die Justierung eindeutig einem Feuchtegehalt zuordenbar, wobei auch hier die Temperatur als weiterer Parameter zu berücksichtigen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feuchtesensor
- 2
- Substrat
- 3
- Temperatursensor
- 4
- Elektronikeinheit
- 5
- Zuleitungen
- 6
- Sensorelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009026439 A1 [0018]
