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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Sensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein
Verfahren zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere
Wasserdampf, auf einer Oberfläche
eines Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12. Weiterhin betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kondensation eines Gases,
insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts.
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Eine gattungsgemäße Sensoreinheit für eine Vorrichtung
zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf,
auf einer Oberfläche
eines Objekts, weist folgende Komponenten auf: Eine Temperaturmesseinrichtung
zum Messen einer Objekttemperatur, eine Taupunktbestimmungseinrichtung
zu Bestimmung einer Taupunkttemperatur des Gases in einer das Objekt
umgebenden Atmosphäre
und eine Regel- und
Steuereinrichung, die mit der Temperaturmesseinrichtung und mit
der Taupunktbestimmungseinrichtung in Wirkverbindung steht und mit
welcher eine Stelleinrichtung zur Erhöhung eines Temperaturabstands
zwischen der Objekttemperatur und der Taupunkttemperatur in Abhängigkeit
der von der Temperaturmesseinrichtung und der Taupunktbestimmungseinrichtung
gewonnenen Daten so steuerbar ist, dass ein Absinken der Objekttemperatur
auf oder unter die Taupunkttemperatur vermieden wird.
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Bei einem gattungsgemäßen Verfahren
zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere von Wasserdampf,
auf einer Oberfläche
eines Objekts werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: (a)
Messen einer Objekttemperatur, (b) Bestimmen einer Taupunkttemperatur
des Gases in einer das Objekt umgebenden Atmosphäre und (c) Erhöhen der
Objekttemperatur und/oder Reduzierung der Taupunkttemperatur in
Abhängigkeit
der in Schritt (a) gemessenen Objekttemperatur und/oder der in Schritt
(b) bestimmten Taupunkttemperatur zur Vermeidung eines Absinkens
der Objekttemperatur auf oder unter die Taupunkttemperatur.
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Anwendungsbereiche für derartige
Sensoreinheiten bzw. für
ein solches Verfahren finden sich in der Verfahrenstechnik, aber
auch in der Automobiltechnik. Dort ist es von großer Bedeutung,
die Kondensation, insbesondere von Wasserdampf, an Oberflächen zu
vermeiden. Beispielsweise kann es im Autoverkehr durch "Beschlagen" der Windschutzscheibe
zu gefährlichen
Situationen kommen.
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Bisher werden derartige Sensoreinheiten
mit kapazitiven oder auf einer Leitfähigkeitsmessung beruhenden
Feuchtesensoren in Verbindung mit einem berührenden Temperatursensor realisiert.
Kapazitive Feuchtesensoren ermitteln als eigentliche Messgröße die "relative Feuchte", d.h. eine Messgröße, mit der
sich bei Kenntnis der Temperatur der Wasserdampfpartialdruck und
damit die Taupunkttemperatur des Gases bestimmen lässt. Grundlage
für diese
Bestimmung ist der Zusammenhang zwischen Dampfdruck pD und
Trockentemperatur bei einer bestimmten relativen Feuchtigkeit. Die
Gesamtheit dieser Kurven wird üblicherweise
in einem "hx"-Diagramm aufgetragen.
Bei gleichem Dampfdruck pD, d.h. bei gleichem
Wasserdampfgehalt × (in
g/kg), weist das Messgas bei unterschiedlichen Trockentemperaturen
unterschiedliche "relative
Feuchten" auf.
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Entscheidend für das "Beschlagen" oder das Kondensieren auf einer Oberfläche ist
die Taupunkttemperatur, welche aus der Kurve für 100 % relative Feuchtigkeit
ermittelt werden kann.
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Da die Kurven der "Relativen Feuchtigkeit", die auch als RH-Kurven
bezeichnet und die Trockentemperatur in Abhängigkeit des Dampfdrucks bei
einer bestimmten relativen Feuchte angeben, im Bereich unter 0° C
eine sehr große
Steigung aufweisen, nimmt die Empfindlichkeit der Taupunktbestimmung in
diesem Bereich stark ab.
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Kapazitive Feuchtesensoren weisen
ferner den Nachteil von Driften auf, d.h. dass sie nicht langzeitstabil
sind. Diese Driften treten besonders bei hohen und bei sehr niedrigen
Feuchten auf, was auf Sättigungs--
bzw. Austrocknungseffekte zurückzuführen ist.
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Schließlich sind kapazitive Feuchtesensoren verschmutzungsanfällig, was
sich beispielsweise nachteilig bemerkbar macht, wenn in einer Fahrgastzelle
eines PKW geraucht wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Sensoreinheit und ein Verfahren der oben angegebenen Art zu schaffen,
welches variabel einsetzbar ist und bei welchen eine Kondensation
zuverlässig
vermieden werden kann. Weiterhin soll die Sensoreinheit besonders
kostengünstig
herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Sensor
einheit sowie bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Sensoreinheit der oben angegebenen Art
ist erfindungsgemäß dadurch
weitergebildet, dass die Taupunktbestimmungseinrichtung als Taupunktsensor
zur direkten Messung des Taupunkts ausgebildet ist und dass die
Temperaturmesseinrichtung als berührungslos arbeitender Temperatursensor
ausgebildet ist.
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Entsprechend ist ein Verfahren der
oben genannten Art erfindungsgemäß dadurch
weitergebildet, dass die Taupunkttemperatur des Gases mit einem
Taupunktsensor direkt gemessen wird und dass die Objekttemperatur
berührungslos
gemessen wird.
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Ein erster Kerngedanke der vorliegenden
Erfindung kann darin gesehen werden, dass die Taupunkttemperatur
nicht mehr wie bisher durch Messung der relativen Feuchte indirekt
bestimmt wird, sondern dass vielmehr mit Hilfe eines Taupunktsensors
eine direkte Messung der Taupunkttemperatur vorgenommen wird. Da
somit die Unsicherheiten bei der Bestimmung der relativen Feuchte
für die
Taupunkttemperatur keine Rolle mehr spielen, kann eine Kondensation
auf der Objektoberfläche
wesentlich zuverlässiger
verhindert werden.
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Ein zweiter Kerngedanke der Erfindung
betrifft die Messung der Objekttemperatur, welche berührungslos
erfolgt. Die erfindungsgemäße Sensoreinheit
und das erfindungsgemäße Erfahren
sind somit besonders variabel einsetzbar. Beispielsweise kann auch
ein sich bewegendes Objekt überwacht und
eine Kondensation auf dessen Oberfläche vermieden werden.
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Die berührungslose Temperatur hat den
Vorteil, dass dem Messobjekt keine Energie entzogen wird. Dies ist
besonders vorteilhaft, wenn die Temperatur einer Oberfläche bestimmt
werden soll, da bei Oberflächen-Temperaturmessungen
häufig das
Problem auftritt, dass das verwendete Sensorelement der Oberfläche Energie
entzieht, was zu Fehlmessungen führt.
Weiterhin kann durch die berührungslose
Temperaturmessung ein Messfeld durch geeignete Wahl eines Abstands
und eines Öffnungswinkels gewählt werden,
wodurch beispielsweise auch eine integrale Messung der Oberfläche möglich wird.
Eine Überwachung
von sich bewegenden Objekten kann insbesondere für industrielle Fertigungsprozesse
von Bedeutung sein.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinheit ist kostengünstig herstellbar
und kann in Massenfertigung in großen Stückzahlen zu einem niedrigen
Preis produziert werden.
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Als Taupunktsensor wird bevorzugt
ein Benetzungssensor eingesetzt. Hierbei handelt es sich um eine
Messkomponente, bei welcher die Benetzung einer Messoberfläche mit
dem fraglichen Gas, d.h. die Kondensation dieses Gases, gemessen
wird. Hierdurch wird als Vorteil erreicht, dass der Zustand auf
der Objektoberfläche,
auf welcher eine Kondensation verhindert werden soll, in dem Taupunktsensor selbst
nachgebildet wird. Auf diese Weise kann eine Kondensation auf der
Objektoberfläche
besonders zuverlässig
verhindert werden.
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Besonders bevorzugt wird als Taupunktsensor
dabei ein Sensor verwendet, bei welchem als Messprinzip die Änderung
einer Lichtreflexion und/oder Lichtstreuung, insbesondere einer
internen Reflexion, bei Kondensation des Gases auf einer Messoberfläche ausgenutzt
wird.
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Solche Sensoren sind beispielsweise
aus
DE 199 32 438 bekannt
und weisen bei kompaktem und preiswertem Aufbau eine sehr geringe
Verschmutzungsempfindlichkeit bei gleichzeitig einfacher Reinigbarkeit
auf. Die optischen Eigen schaften einer Oberfläche, insbesondere deren Reflektivität ändern sich
sehr stark, wenn diese Oberfläche
mit einem Gas benetzt wird, d.h. wenn dieses Gas auf der Oberfläche kondensiert.
Dies ermöglicht
eine sehr präzise
Bestimmung der Taupunkttemperatur.
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Besonders bevorzugt ist dabei ein
Sensor, bei welchem die Änderung
einer internen Reflexion aufgrund Kondensation des Messgases auf
der Messoberfläche
gemessen wird, da diese Reflexionsänderung weitgehend unabhängig von
eventuellen Verschmutzungen, wie beispielsweise Staub, auf der Messoberfläche ist.
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Als Temperatursensor kann ein Infrarot-Sensor
eingesetzt werden, wobei prinzipiell jeder für den Infrarot-Spektralbereich
geeignete Detektor Verwendung finden kann, beispielsweise eine Photowiderstandszelle,
ein Thermoelement, ein Bolometer oder ein Halbleiterdetektor, wie
z.B. eine Photodiode. Bevorzugt wird aber als Detektor ein Thermopile-Detektor
verwendet. Solche Detektoren sind kostengünstig erhältlich und ermöglichen
dabei genaue Temperaturmessungen.
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Die Genauigkeit der Temperaturmessung kann
weiter erhöht
werden, wenn der Temperatursensor mit einem spektralen Filter versehen
ist. Hierbei kann es sich insbesondere um ein 8 – 14 μm-Fenster, d.h. ein atmosphärisches
Fenster, handeln.
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Es kann außerdem eine weitere Temperaturmesseinrichtung
zur Bestimmung einer Atmosphärentemperatur
der das Objekt umgebenden Atmosphäre vorgesehen sein. Insbesondere
kommt hierbei eine Bestimmung einer Innenraumtemperatur in einer
Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs in Betracht. Mit eine entsprechenden
Regeleinrichtung kann unter Verwendung der gemessenen Innenraumtemperatur,
einen entsprechenden Taupunktabstand vorausgesetzt, das Klima in
der Fahrgastzelle in den Behaglichkeitsbereich geregelt werden.
Dies bringt für die
Insassen erhebliche Vorteile mit sich.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
ist die erfindungsgemäße Sensoreinheit
in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht. Ein solcher kompakter Aufbau ermöglich eine vielfältige Einsetzbarkeit
und leichte Austauschbarkeit der Sensoreinheit.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine
Vorrichtung zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere
Wasserdampf, auf einer Oberfläche
eines Objekts, welche eine erfindungsgemäße Sensoreinheit, sowie weiterhin
eine Stelleinrichtung zur Erhöhung
eines Temperaturabstands zwischen Objekttemperatur und Taupunkttemperatur
aufweist.
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Mit einer solchen Vorrichtung oder
einem solchen System werden ebenfalls die oben im Zusammenhang mit
der erfindungsgemäßen Sensoreinheit erläuterten
Vorteile erzielt.
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Die Stelleinrichtung kann dabei als
Erwärmungseinrichtung
ausgebildet sein. Hierbei kann es sich um eine Einrichtung zur direkten
Erwärmung
des Objekts, wie beispielsweise eine Heckscheibenheizung, und/oder
um eine Einrichtung zur indirekten Erwärmung des Objekts, wie beispielsweise
ein Heizgebläse,
handeln.
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Sollte aus bestimmten, beispielsweise
verfahrenstechnischen Gründen,
eine Erwärmung
des Objekts unerwünscht
sein, kann ein höherer
Temperaturabstand zwischen Objekttemperatur und Taupunkttemperatur
gleichwohl durch Absenkung der Taupunkt temperatur erreicht werden.
In diesem Fall ist die Stelleinrichtung bevorzugt als Trocknungseinrichtung
zur Reduzierung eines Gasanteils, insbesondere eines Wasserdampfgehalts,
in der das Objekt umgebenden Atmosphäre ausgebildet.
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Einen Haupteinsatzbereich findet
die erfindungsgemäße Vorrichtung
als Vorrichtung zum Verhindern des Beschlagens der Fensterscheiben
eines Kraftfahrzeugs. Wegen der oben beschriebenen prinzipiellen
Unterschiede der erfindungsgemäßen Sensoreinheit
im Vergleich zum Stand der Technik und der dadurch erzielten Vorteile
kann mit einer solchen Vorrichtung eine Kondensation von Wasserdampf
auf den Fensterscheiben, d.h. ein "Beschlagen", besonders zuverlässig verhindert und somit die
Sicherheit für
die Fahrgäste
deutlich erhöht
werden.
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In regelungstechnischer Hinsicht
erfolgt die Ansteuerung der Stelleinrichtung durch die Regel- und
Steuereinrichtung bevorzugt so, dass der Temperaturabstand zwischen
Objekttemperatur und Taupunkttemperatur über einem vorbestimmten Mindesttemperaturabstand
gehalten wird.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften
der erfindungsgemäßen Sensoreinheit
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen
Figuren beschrieben.
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Dort zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit
sowie
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2 eine
schematische Ansicht eines Taupunktsensors von der Art, wie er bei
der erfindungsgemäßen Sensoreinheit
eingesetzt werden kann.
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Die in 1 gezeigte
Vorrichtung weist eine erfindungsgemäße Sensoreinheit 10 und
eine Stelleinrichtung 18, bei welcher es sich beispielsweise
um ein Heizgebläse
oder eine Heckscheibenheizung handeln kann, auf. Mit Hilfe eines
Temperatursensors 40 als Temperaturmesseinrichtung 12,
bei dem es sich um einen Thermopile-Sensor handelt, wird die Oberflächentemperatur
eines Objekts 20 ermittelt. Der Temperatursensor 40 erfasst
berührungslos
die Infrarotstrahlung eines Messflecks 22 auf der Oberfläche 21 des
Objekts 20, wobei ein Akzeptanzbereich des Temperatursensors 40 durch
einen Öffnungskegel 13 schematisch
dargestellt ist. Der Temperatursensor 40 ist mit einer
Regel- und Steuereinrichtung 16 verbunden.
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Die Sensoreinrichtung
10 weist
weiterhin einen Taupunktsensor
50 als Taupunktbestimmungseinrichtung
14 auf,
der ebenfalls mit der Regel- und Steuereinrichtung
16 verbunden
ist. Mit Hilfe des Taupunktsensors
50 wird eine Taupunkttemperatur eines
schematisch dargestellten Gases
28, wobei es sich insbesondere
um Wasserdampf handeln kann und welches das Objekt umgibt, bestimmt.
Der Taupunktsensor
50 ist dabei bevorzugt als Benetzungssensor
und insbesondere als Sensor der in
DE
199 32 438 beschriebenen Art ausgebildet.
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Temperatursensor 40, Taupunktsensor 50 und
Regel- und Steuereinrichtung 16 sind in einem gemeinsamen
Gehäuse 26 untergebracht,
so dass ein sehr kompakter Aufbau gewährleistet ist. Die Stelleinrichtung 18,
bei welcher es sich beispielsweise um ein Heizgebläse, aber
auch um eine Heckscheibenheizung handeln kann, wird von der Regel- und
Steuereinrichtung 16 so angesteuert, dass eine Kondensation
des Gases 28, also beispielsweise von Wasserdampf, auf
der Oberfläche 21 des
Objekts 20 verhindert wird. Die gemessene Oberflächentemperatur
dient dabei als Führungsgröße.
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Stellt sich zwischen der Objekttemperatur und
der Taupunkttemperatur ein kritischer Temperaturabstand ein, der
die Gefahr der Kondensation mit sich bringt, so sind entsprechende
Abhilfemaßnahmen
durchzuführen.
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Als Maßnahmen können folgende Aktionen durchgeführt werden:
- a) Erwärmen
des Objektes 20 (Temperaturabstand zwischen Objekttemperatur
und Taupunkttemperatur wird größer);
- b) "Trocknen" der das Objekt umgebenden
Atmosphäre
(Taupunkttemperatur sinkt, d.h. Temperaturabstand zwischen Objekttemperatur
und Taupunkttemperatur wird größer);
- c) indirekte Erwärmung
des Objektes durch Erwärmen
des Gases (Effekt wie bei a)) oder
- d) eine Kombinaton aus den Möglichkeiten
a) bis c).
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Durch die Bestimmung der tatsächlichen
(realen) Taupunkttemperatur ist es möglich, gezielt mehrere Aktionen
durchzuführen.
Außerdem
kann bei zusätzlicher
Kenntnis z.B. der Innenraumtemperatur einer Fahrgastzelle das Klima,
einen entsprechenden Temperaturabstand zum Taupunkt vorausgesetzt,
in den Behaglichkeitsbereich geregelt werden. Dies bringt für die Insassen
erhebliche Vorteile mit sich.
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Ist eine einfache Antibeschlagseinrichtung erforderlich,
so kann es vorteilhaft sein, eine einfache ΔDT-Steuerung einzuführen. Hierzu
wird die Objekttemperatur als Führungsgröße verwendet.
Der Taupunktsensor 50 wird auf eine Temperatur geregelt, die
um den ΔDT-Wert
(z.B. 5° C) unter der Objekttemperatur liegt. Sobald Betauung
am Taupunktsensor 50 auftritt, werden die Aktionen a) bis
d) ausgeführt.
Die Aktionen können
in Abhängigkeit
von der Objekttemperatur unterschiedlich gestaltet sein.
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2 zeigt
einen Taupunktsensor von der Art, wie er bevorzugt bei der erfindungsgemäßen Sensoreinheit
eingesetzt wird.
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Kernbestandteil dieses Sensors ist
eine Anordnung eines Lichtleiters 52, in welchen Licht 56 aus einem
Sender oder einer Quelle 54, bei welcher es sich beispielsweise
um eine Leuchtdiode handeln kann, eingekoppelt wird. Nach einer
Mehrzahl von internen Reflexionen an den Außenflächen des Lichtleiters 52 gelangt
ausgekoppeltes Licht 66 auf einen Empfänger 68, bei welchem
es sich um eine Photodiode handeln kann. An einer Rückseite
des Lichtleiters 52 ist ein Peltierelement 74 angebracht,
mit welchem der Lichtleiter 52 definiert abgekühlt werden kann.
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Bei der Messung kühlt das Peltierelement 74 den
Lichtleiter 52 so lange ab, bis ein zu untersuchendes Gas 28,
bei dem es sich insbesondere um Wasserdampf handeln kann, an einer
außen
liegenden Oberfläche 60 des
Lichtleiters 52 kondensiert. Eine solche Kondensationsschicht 58 ist
schematisch im linken Bereich der Oberfläche 60 des Lichtleiters 52 dargestellt.
Durch die Benetzung der Oberfläche 60,
beispielsweise mit Wasser, steigt der kritische Winkel für die interne
Reflexion über
den Einfallswinkel des Lichts 56 gegenüber der Oberflächennormale
der Oberfläche 60 an,
so dass dieses Licht nicht mehr, wie bisher, an der inneren Grenzfläche total
reflektiert wird, sondern aus dem Lichtleiter 52 ausgekoppelt
wird. Wegen dieses Anteils an ausgekoppeltem Licht 62 sinkt
die im Empfänger 68 nachgewiesene
Intensität,
worauf auf eine Benetzung der Oberfläche 60 und somit auf
ein Erreichen der Taupunkttemperatur geschlossen werden kann.
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Der in 2 gezeigte
Sensor 50 weist als besonderen Vorteil auf, dass Schmutzpartikel 64 nahezu
keine Verschlechterung der Messgenauigkeit bewirken, da diese Schmutzpartikel,
solange sie trocken sind, wegen ihrer gegenüber der Gesamtfläche vernachlässigbaren
Kontaktfläche
mit der Oberfläche 60 des
Lichtleiters 62 nur in einem vernachlässigbaren Flächenanteil
eine Änderung
des kritischen Winkels für
Totalreflexion bewirken.
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Der gesamte Taupunktsensor 50 ist
kompakt in einem Transistorgehäuse 70 angeordnet,
an dessen Unterseite Anschlüsse 72 zum
Ansteuern des Senders 54, des Peltierelements 74 sowie
zum Auslesen eines Signals des Empfängers 68 vorgesehen sind.
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Der dargestellte Taupunktsensor 50 zeichnet sich
durch eine sehr kleine, kompakte Bauweise, welche für eine Massenproduktion
konzipiert ist, sowie durch seine Rückführbarkeit aus. Wegen des verwendeten
Messprinzips einer Reflexionsänderung bei
Kondensation auf einer Messoberfläche handelt es sich um ein
Primärverfahren,
bei welchen eine Rückrechnung
auf die eigentlich zu bestimmende Größe, hier: die Taupunkttemperatur,
nicht notwendig ist, so dass eine hohe Genauigkeit erzielt werden kann.
Die Alterungserscheinungen sind bei einem solchen Sensor, verglichen
z.B. mit kapazitiven Sensoren, minimal. Außerdem wird durch den Sensor
aktiv nachgebildet, was an der Scheibe bei entsprechender Temperatur
stattfinden würde,
d.h. gegebenenfalls Betauung.
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Der Taupunktsensor 50 weist
bereits aufgrund des verwendeten Messprinzips eine hohe Langzeitstabilität auf, so
dass Nachkalibrierungen nicht nötig
sind. Ein wartungsarmer und wartungsfreundlicher Betrieb wird darüber hinaus
durch die oben erläuterte
weitgehende Unempfindlichkeit gegen Verschmutzungen und darüber hinaus
auch durch die leichte Reinigbarkeit des Sensors erzielt. Diese
vorteilhaften Eigenschaften des Taupunktsensors 50 gestatten
somit Messungen, insbesondere auch In-situ-Messungen in Stäuben, Granulaten,
wie beispielsweise Getreide, usw.
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Der Sensor ist von –40 bis
+100°C einsetzbar. Bei Verwendung von Lichtleitern anstelle
der Sender-Empfänger
kann der Temperaturbereich noch erweitert werden, wobei in diesem
Fall das verwendete Peltier-Element begrenzend ist.
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Damit ist auch der Feuchteeinsatzbereich definiert.
Da das Sensorprinzip auf Sättigung
basiert, wird er immer an 100% RH adaptiert.
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Mögliche
Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Sensoreinheit
des erfindungsgemäßen Verfahrens
finden sich neben der Verfahrens-, der Klima-, der Medizin- und
der Lebensmitteltechnik vor allem, wie oben beschrieben, in der
Automobiltechnik. Darüber
hinaus sind aber auch Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik
sowie im Bereich der Qualitätssicherung
möglich.