DE10336690A1 - Relative humidity measurement method, especially for low humidity areas, whereby a moisture sensor and a temperature sensor are held in a temperature controlled volume while it is cooled so that the humidity increases - Google Patents

Relative humidity measurement method, especially for low humidity areas, whereby a moisture sensor and a temperature sensor are held in a temperature controlled volume while it is cooled so that the humidity increases Download PDF

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Abstract

Method for measuring relative humidity, especially low humidity values, by measuring a change in the electrical characteristics of a layer sensitive to humidity. The measurement method involved cooling of a fixed volume containing a moisture sensor (1) and a temperature sensor (2) so that the relative humidity in the volume increases. The invention also relates to a corresponding humidity measuring arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der relativen Feuchte, insbesondere für den Einsatz im Niedrigfeuchtebereich, wobei durch Steuerung und Beeinflussung der Sensoren eine präzise Messung ermöglicht wird.The The invention relates to a method and an arrangement for measurement the relative humidity, especially for use in the low humidity range, wherein by controlling and influencing the sensors a precise measurement allows becomes.

Die Erfindung wird vorzugsweise angewandt, um relative Luftfeuchten in sehr trockenen Umgebungen zu bestimmen und/oder zu kontrollieren. Selbstverständlich ist es möglich, auch in anderen Gasen und/oder Gasmischungen relative Feuchten zu messen und/oder zu überwachen.The Invention is preferably applied to relative humidities to determine and / or control in very dry environments. Of course Is it possible, also in other gases and / or gas mixtures relative humidity too measure and / or monitor.

Im Stand der Technik sind diverse Verfahren bekannt, um eine oder mehrere der bekannten Feuchtegrößen zu messen. Grundsätzlich gibt es optische, kapazitive und resistive Methoden, um Taupunkttemperatur, Mischungsverhältnis, absolute, spezifische oder relative Feuchte zu bestimmen.in the Prior art, various methods are known to one or more to measure the known moisture parameters. in principle There are optical, capacitive and resistive methods to Mixing ratio, absolute, specific or relative humidity.

Aus EP 0 780 683 A2 ist die Messung der Taupunkttemperatur durch optische Sensoren und Temperatursensoren bekannt, die den Taupunkt auf einer gegenüber dem Messmedium beziehungsweise der Umgebung gekühlten Spiegel- oder Glasfläche bestimmen.Out EP 0 780 683 A2 is the measurement of the dew point temperature by optical sensors and temperature sensors known that determine the dew point on a compared to the measuring medium or the environment cooled mirror or glass surface.

Nachteilig ist dabei, dass diese optischen Messanordnungen sehr anfällig gegenüber Verschmutzungen sind, die sich bei häufiger Taubildung und -verdunstung zwangsläufig ergeben. Zudem sind sie relativ teuer und groß aufgrund der Zahl der enthaltenen Teile und der nötigen Abstände.adversely is that these optical measuring arrangements are very susceptible to contamination that are more common Dew formation and evaporation inevitably result. Besides, they are relatively expensive and big due the number of parts and the necessary distances.

Bekannt ist auch das Taupunktmessgerät Modell XPDM der Xentaur Corporation, NY (USA), das speziell auf den Niedrigfeuchtebereich zugeschnitten ist.Known is also the dew point meter model XPDM from Xentaur Corporation, NY (US) specifically designed for the low humidity range is tailored.

Dieses hat den Nachteil, nicht betauungsfest zu sein. Zudem können Messungen nur innerhalb der geschützten Messkammer des Gerätes durchgeführt werden.This has the disadvantage of not being condensation resistant. In addition, measurements can only within the protected Measuring chamber of the device be performed.

In der DE 102 16 895 A1 werden ein Verfahren und eine Anordnung zur Feuchtemessung, insbesondere zur Messung hoher Feuchte, beschrieben, in denen die Umgebung eines Taudetektor geheizt wird, um die relativen Feuchten um 1% bis 2% herabzusetzen und das Messmedium gegebenenfalls zu entsättigen, während eine mögliche Kühlung die Heizwärme kompensieren kann.In the DE 102 16 895 A1 describe a method and an arrangement for measuring moisture, in particular for measuring high humidity, in which the environment of a Taudetektor is heated to reduce the relative humidity by 1% to 2% and optionally to desaturate the medium, while a possible cooling the heat can compensate.

Nachteilig daran ist, dass besonders im Bereich niedriger Feuchten eine extreme Verschlechterung der Messauflösung durch die Erwärmung des Messmediums auftritt.adversely It is because of that, especially in the area of low humidity an extreme Deterioration of the measurement resolution by the warming of the measuring medium occurs.

Die DE 101 13 190 A1 zeigt einen Feuchtesensor nach dem Taupunktprinzip auf Basis einer dünnen Membran, wobei die Membran gekühlt wird und verschiedene Messverfahren eingesetzt werden können, um den Taupunkt zu bestimmen. Bei einem Verfahren wird eine Messung von Luft mit geringer relativer Feuchte unter 20 % möglich.The DE 101 13 190 A1 shows a moisture sensor based on a dew point principle based on a thin membrane, wherein the membrane is cooled and various measuring methods can be used to determine the dew point. In one method, a measurement of air with low relative humidity below 20% is possible.

Nachteilig sind der komplizierte Aufbau des Sensors und die aufwendige Herstellung der Membran. Nachteilig ist außerdem, dass sehr niedrige Feuchten von 0,05% bis 5% nicht so genau gemessen werden wie bei höheren Werten.adversely are the complicated structure of the sensor and the complex production the membrane. Another disadvantage is that very low humidities of 0.05% to 5% are not measured so accurately become like higher ones Values.

In US 3,916,367 ist ein relativer Feuchtigkeitssensor beschrieben, der ein feuchtigkeitsempfindliches Element enthält, dessen elektrischer Widerstand, der über Elektroden gemessen wird, sich abhängig von der Umgebungsfeuchte ändert und das aus einer porösen, hygroskopischen Schicht besteht.In US 3,916,367 For example, a relative humidity sensor is described which includes a moisture sensitive element whose electrical resistance, measured across electrodes, changes depending on ambient humidity and which consists of a porous, hygroscopic layer.

Nachteilig ist an diesem Sensor, dass er für den Normalfeuchtebereich ausgelegt ist. Er zeigt im Niedrigfeuchtebereich eine geringe Messauflösung und liefert dort damit häufig falsche Messergebnisse. Auch ist die Ansprechzeit relativ hoch.adversely is on this sensor that he is for Normal humidity range is designed. He shows in the low humidity range a low measurement resolution and delivers there with it often wrong measurement results. Also, the response time is relatively high.

Der in WO 01/42776 A1 beschriebene kapazitive Sensor besitzt eine Messschicht, deren dielektrische Eigenschaften von der Umgebungsfeuchte abhängen und von Elektroden kapazitiv ausgemessen werden, und misst die den Feuchtegehalt des ihn umgebenden Messmediums.Of the in WO 01/42776 A1 described capacitive sensor has a measuring layer, whose dielectric properties depend on the ambient humidity and are measured capacitively by electrodes, and measures the moisture content of the surrounding measuring medium.

Auch dieser Sensor hat den Nachteil, nur für Normalfeuchte ausgelegt zu sein und im Bereich niedriger Feuchte große Messfehler zu liefern. Zudem ist auch hier die Ansprechzeit relativ hoch.Also This sensor has the disadvantage of being designed for normal humidity only be and in the range of low humidity to deliver large measurement errors. moreover Here, too, the response time is relatively high.

Aus der DE 198 52 969 A1 ist ein Feuchtedetektor bekannt, auf dem sich auf einem Träger zwischen zwei oder mehr Elektroden eine Schicht aus hygroskopischem Material befindet, die von ihr aufgenommene Feuchte elektrolysiert, wenn eine Spannung an ihr anliegt, und der insbesondere zur Detektion geringer Feuchte in besonders überwachungsbedürftiger Umgebung geeignet ist.From the DE 198 52 969 A1 a moisture detector is known, on which there is a layer of hygroscopic material on a support between two or more electrodes, which electrolyzes the moisture absorbed by it when a voltage is applied to it, and which is particularly suitable for detecting low humidity in a particularly monitored environment ,

Nachteilig daran ist, dass auch bei diesem Detektor die Messauflösung im Bereich sehr niedriger Feuchte durch das Prinzip der Messung begrenzt ist. Speziell bei abnehmender Feuchte ist der Detektor auch relativ reaktionsträge, was eine relativ hohe Ansprechzeit zur Folge hat.adversely because of that, the measurement resolution in the Very low humidity range is limited by the principle of measurement. Especially with decreasing humidity, the detector is also relatively inert, which results in a relatively high response time.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, kostengünstige Anordnung und ein ebensolches Verfahren anzugeben, um relative Feuchten, besonders im Bereich sehr niedriger Feuchten, zu messen und zu kontrollieren, bei denen Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung erheblich erhöht sind.The invention is based on the object to provide a simple, inexpensive arrangement and method to measure and control relative humidity, especially in the very low humidity range, where the sensitivity and accuracy of the measurement are significantly increased.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält, und eine Anordnung, welche die in Anspruch 6 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.According to the invention Task by a method which specified in claim 1 Contains features, and an arrangement having the features specified in claim 6 contains, solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments are specified in the respective subclaims.

Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Anordnung ist, dass durch die Kühlung der Messumgebung einschließlich des Feuchtesensors und des Temperatursensors eine Verlagerung des Arbeitspunktes zu einer höheren relativen Feuchte hin bewirkt wird und dies zur Folge hat, dass das Ausgangssignal des Feuchtesensors vergrößert und damit einer genaueren und empfindlicheren Auswertung zugänglich wird. Auch wird die Ansprechzeit dadurch verkürzt.Advantageous in the method according to the invention and the arrangement is that by cooling the measuring environment including the Humidity sensor and the temperature sensor, a shift of the operating point to a higher one caused relative humidity and this has the consequence that the Increased output signal of the humidity sensor and thus a more accurate and more sensitive evaluation. Also, the Shorter response time.

Die Anordnung ist zudem in einer höchst kompakten Bauweise möglich, da nur wenige Teile verwendet werden, die keine besonderen Abstände voneinander erfordern. Wird ein Kühler verwendet, der auch als Heizung genutzt werden kann, bleibt zusätzlich zur dadurch erreichten Flexibilität und schnelleren Reaktion die kompakte Bauweise erhalten. Durch Integration der Sensoren auf einem gemeinsamen Substrat ist ein minimaler Platz- und Energiebedarf gegeben.The Arrangement is also in a highly compact Construction possible, because only a few parts are used, which are not particular distances from each other require. Becomes a cooler used, which can also be used as a heater, in addition to thereby achieved flexibility and get faster response the compact design. By integration the sensors on a common substrate is a minimal space and energy needs given.

Weiterhin ist von Vorteil, dass die erfindungsgemäße Anordnung betauungsfest ist.Farther It is advantageous that the arrangement according to the invention is resistant to condensation is.

Durch die Regelung der Kühlleistung auf ein konstantes Ausgangssignal des Feuchtesensors oder eine konstante Kühltemperatur ist ein einfacher Regelkreis ausreichend, um den zur Weiterverarbeitung geeigneten Kühltemperaturwert zu erhalten.By the regulation of the cooling capacity to a constant output of the humidity sensor or a constant cooling temperature a simple control loop is sufficient for further processing suitable cooling temperature value to obtain.

Bei einer gesteuerten relativen Feuchte von 5% bis 10% können übliche, bekannte Feuchtesensoren zur Messung verwendet werden, was eine sehr preisgünstige Herstellung bedeutet, da somit nur Standardbauteile benötigt werden Vorteilhaft ist weiterhin, dass eine einfache Rückberechnung der relativen Feuchte auf beliebige relevante Temperaturen, insbesondere auch durch einen zusätzlichen Temperatursensor außerhalb des gekühlten Bereiches auf die relative Feuchte der Umgebung möglich ist.at a controlled relative humidity of 5% to 10% can usual, known humidity sensors are used for measuring what a very reasonably priced Production means that only standard components are needed. Advantageous is that a simple recalculation of the relative Moisture to any relevant temperatures, especially through an additional Temperature sensor outside of the chilled Range to the relative humidity of the environment is possible.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The Invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment.

Dazu zeigenTo demonstrate

1 eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Messanordnung und 1 a plan view of a measuring arrangement according to the invention and

2 eine seitliche Ansicht der Anordnung. 2 a side view of the arrangement.

1 zeigt in der Draufsicht die beiden Sensoren für Feuchte 1 und Temperatur 2 auf einem gemeinsamen Substrat 3, das auf einem als Peltierelement ausgelegten Kühler 4 angeordnet ist. Auf der Unterseite des Peltierelementes ist zur Wärmeabgabe ein Kühlkörper 10 angebracht. 1 shows in plan view the two sensors for humidity 1 and temperature 2 on a common substrate 3 on a cooler designed as a Peltier element 4 is arranged. On the underside of the Peltier element is a heat sink for heat dissipation 10 appropriate.

Versorgung und Auswertung der Sensoren erfolgen über die Anschlüsse 5 und 6. Der Kühler 4 wird über die Anschlüsse 7 versorgt.Supply and evaluation of the sensors take place via the connections 5 and 6 , The cooler 4 is about the connections 7 provided.

Außerhalb des gekühlten Bereiches befindet sich ein weiterer Temperatursensor 8, der über Anschlüsse 9 versorgt und ausgewertet wird.Outside the cooled area there is another temperature sensor 8th that's about connections 9 is supplied and evaluated.

In 2 ist die seitliche Ansicht der Anordnung in 1 dargestellt, worin die Anordnung des Sensorsubstrats 3 auf dem Kühler 4 mit Kühlkörper 10 sowie die Zuleitungen 5, 6 und 7 noch deutlicher werden.In 2 is the side view of the arrangement in 1 in which the arrangement of the sensor substrate 3 on the radiator 4 with heat sink 10 as well as the supply lines 5 . 6 and 7 to become even clearer.

Mit dieser Anordnung wird zum Beispiel ein relativer Feuchtewert von 0,04% bei 20°C Umgebungstemperatur auf einen Wert von 5% bei einer Kühltemperatur von –40°C angehoben, da der Sättingungsdampfdruck bei niedrigeren Temperaturen tiefer liegt und somit die relative Feuchte steigt.With This arrangement becomes, for example, a relative humidity value of 0.04% at 20 ° C Ambient temperature to a value of 5% at a cooling temperature raised from -40 ° C, because the saturation vapor pressure lower at lower temperatures and thus the relative Humidity rises.

Indem man also den Arbeitspunkt während der Messung zu niedrigeren Temperaturen verlegt, erreicht man eine systematische Erhöhung der relativen Feuchte. Ein Feuchtewert von 5% ist mit den bekannten Feuchtesensoren wesentlich exakter, leichter und schneller messbar als der sehr geringe Wert von 0,04%.By doing So you have the working point during the Measurement moved to lower temperatures, one reaches a systematic increase the relative humidity. A moisture value of 5% is with the known Moisture sensors much more precise, easier and faster measurable as the very low value of 0.04%.

11
Feuchtesensorhumidity sensor
22
Temperatursensortemperature sensor
33
Sensorsubstratsensor substrate
44
Kühlercooler
55
elektrische Anschlüsse Feuchtesensorelectrical connections humidity sensor
66
elektrische Anschlüsse Temperatursensorelectrical connections temperature sensor
77
elektrische Anschlüsse Kühlerelectrical connections cooler
88th
Temperatursensor Umgebungtemperature sensor Surroundings
99
elektrische Anschlüsse Temperatursensor Umg.electrical connections Temperature sensor Umg.
1010
Kühlkörperheatsink

Claims (10)

Verfahren zur Messung der relativen Feuchte mittels der elektrischen Eigenschaften einer feuchtigkeitsempfindlichen Schicht, insbesondere zur Messung niedriger Feuchtewerte, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung erfolgt, indem ein Volumenbereich, der einen Feuchtesensor (1) und einen Temperatursensor (2) enthält, gekühlt wird und damit die relative Feuchte in diesem Volumenbereich erhöht wird.Method for measuring the relative humidity by means of the electrical properties of a moisture-sensitive layer, in particular for the measurement of low moisture values, characterized in that the measurement is carried out by using a volume range comprising a moisture sensor ( 1 ) and a temperature sensor ( 2 ) is cooled, and thus the relative humidity is increased in this volume range. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung so geregelt wird, dass sich am Ausgang des Feuchtesensors (1) ein konstantes Ausgangssignal ergibt.A method according to claim 1, characterized in that the cooling capacity is controlled so that at the output of the humidity sensor ( 1 ) gives a constant output signal. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante Ausgangssignal einem Wert von 5% bis 10% relativer Feuchte entspricht.Method according to claim 2, characterized in that that the constant output signal is a value of 5% to 10% more relative Humidity corresponds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung so geregelt wird, dass der Volumenbereich auf einer konstanten Temperatur gehalten wird.Method according to claim 1, characterized in that that the cooling power is controlled so that the volume range is kept at a constant temperature becomes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines weiteren, außerhalb des gekühlten Volumenbereichs liegenden Temperatursensors (8) die Umgebungstemperatur bestimmt wird und damit zusammen mit der relativen Feuchte und der Temperatur des gekühlten Bereiches die relative Feuchte der Umgebung bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that by means of a further, outside the cooled volume range temperature sensor ( 8th ) the ambient temperature is determined and, together with the relative humidity and the temperature of the cooled area, the relative humidity of the environment is determined. Anordnung zur Messung der relativen Feuchte mit einem Feuchtesensor (1), der eine feuchtigkeitsempfindliche Schicht mit von der Feuchte abhängigen elektrischen Eigenschaften enthält, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtesensor (1) und ein Temperatursensor (2) auf einem Kühler (4) angebracht sind, dessen Leistung regelbar ist.Arrangement for measuring the relative humidity with a humidity sensor ( 1 ), which contains a moisture-sensitive layer with moisture-dependent electrical properties, in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the moisture sensor ( 1 ) and a temperature sensor ( 2 ) on a cooler ( 4 ) are mounted, whose performance is regulated. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtesensor (1) und der Temperatursensor (2) unmittelbar auf dem Kühler (4) angebracht sind.Arrangement according to claim 6, characterized in that the moisture sensor ( 1 ) and the temperature sensor ( 2 ) directly on the radiator ( 4 ) are mounted. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtesensor (1) und der Temperatursensor (2) auf einem gemeinsamen Substrat (3) integriert sind, welches seinerseits unmittelbar auf dem Kühler (4) angebracht ist.Arrangement according to claim 6, characterized in that the moisture sensor ( 1 ) and the temperature sensor ( 2 ) on a common substrate ( 3 ), which in turn directly on the radiator ( 4 ) is attached. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Temperatursensor (8) außerhalb des durch den Kühler (4) gekühlten Bereiches angeordnet ist.Arrangement according to one of claims 6 to 8, in particular for carrying out the method according to claim 5, characterized in that at least one further temperature sensor ( 8th ) outside of the cooler ( 4 ) cooled area is arranged. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (4) ein Peltierelement oder eine Kryopumpe ist.Arrangement according to one of claims 6 to 9, characterized in that the cooler ( 4 ) is a Peltier element or a cryopump.
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