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Vorrichtung
zur Kalibrierung eines Feuchtesensors sowie Sensoranordnung mit
einem kalibrierbaren Feuchtesensor Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors
mit einer Messkammer, die einen ersten Gasanschluss zur Verbindung
mit einer druckbeaufschlagbaren Anlage und einen zweiten Gasanschluss
zur Verbindung mit einem weiteren Gasraum aufweist.
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Mit
Hilfe von Feuchtesensoren wird in offenen oder geschlossenen Gasvolumina
die relative Feuchte gemessen, das heißt die Menge an Feuchtigkeit,
die in dem jeweiligen Gas gelöst
ist relativ zu der maximal bei der gegebenen Temperatur in dem Gas
lösbaren
Feuchtigkeitsmenge.
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Solche
Messungen sind beispielsweise dem Durchschnittsverbraucher als Messungen
der relativen Luftfeuchtigkeit zur Bestimmung der klimatischen Bedingungen
geläufig,
sie sind jedoch auch im industriellen Umfeld beispielsweise bei
der Bestimmung der relativen Luftfeuchte in Druckgasbehältern üblich. Feuchtesensoren
werden oft durch physikalische und chemische Einflüsse stark
belastet und können
dadurch ihre Ansprechcharakteristik gegenüber einer anfänglichen
Kalibrierung signifikant verändern.
Daher ist in gewissen Abständen
eine Nachkalibrierung notwendig.
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Aus
dem Stand der Technik (
DE
3936138 A1 ,
US 6073480 )
ist eine Kalibrierung eines Feuchtesensors dadurch bekannt, daß eine erste
Feuchtemessung bei einer ersten Temperatur und danach bei einer
zweiten Temperatur eine zweite Feuchtemessung durchgeführt wird,
wobei der Gasdruck bei beiden Messungen gleichbleibt. Durch die
gemessenen Temperatur- und Feuchtigkeitswerte ist eine Berechnung
eines Korrekturwertes für
die Feuchtemessung möglich,
da der mathematische Zusammenhang zwischen Temperatur und tatsächlicher
relativer Feuchte bekannt ist.
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Es
ist jedoch zur Anwendung dieser Technik notwendig, einerseits Temperatursensoren
im Bereich der Feuchtsensoren anzuordnen, und andererseits Heiz-
oder Kühlelemente
vorzusehen. Außerdem
erfordert eine derartige Kalibrierung Zeit zur Einstellung der jeweiligen
Meßtemperaturen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors und eine Sensoranordnung
mit einem kalibrierbaren Feuchtsensor der eingangs genannten Art
zu schaffen, bei der der Kalibriervorgang vereinfacht ist und möglichst
geringe Hilfsmittel zu seiner Durchführung benötigt werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der erste Gasanschluss und/oder der zweite Gasanschluss einen Strömungswiderstand aufweist,
der auf zwei verschiedene feste Werte einstellbar ist. Aus dem Stand
der Technik (
DE 102
036 37 B4 )ist ein Kalibrierverfahren bekannt, bei dem bei einem
ersten Druck P1 und bei einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen
Druck P2 und bei sonst gleichen Bedingungen jeweils ein Feuchtewert
U1, U2 erfaßt
wird, wobei zumindest das Verhältnis
des ersten Druckwertes P1 und des zweiten Druckwertes P2 bekannt
ist und daß der
Korrekturwert für
den Feuchtesensor aus dem Verhältnis
der Druckwerte und den gemessenen Feuchtigkeitswerten bestimmt wird.
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Gemäß dem Stand
der Technik werden die verschiedenen Druckwerte gemessen und den
ebenfalls gemessenen Feuchtewerten zugeordnet. Hierzu sind Drucksensoren
notwendig und ein Kalibriervorgang erfordert die Erfassung der entsprechenden Messwerte
und die Weiterverarbeitung. Gemäß der Erfindung
reduziert sich dieser Aufwand dadurch, dass durch die Auswahl bei
der Einstellung der Strömungswiderstände das
Verhältnis
der Drücke
in der Messkammer der beiden Messungen bereits fest steht und bekannt
und abgespeichert ist. Lediglich die Feuchtewerte werden gemessen
und fließen
als Variable in die Berechnung des Korrekturwertes ein.
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Wird
der Feuchtewert bei zwei unterschiedlichen Drücken gemessen, wobei die Temperatur
und andere Umgebungsbedingungen konstant gehalten werden und wobei
auch die gleiche Feuchtigkeitsmenge absolut in dem Gas gelöst bleibt,
so ändert sich
der Wert der relativen Feuchte zwischen den beiden Messungen. Aus
dem Verhältnis
der beiden Druckwerte kann auf das Verhältnis der beiden real vorliegenden
Feuchtigkeitswerte der relativen Gasfeuchtigkeit geschlossen werden.
Stimmen die Verhältnisse
der Drücke
und der gemessenen relativen Gasfeuchten nicht überein, so kann aus der Abweichung
der Korrekturwert bestimmt werden, der bei der jeweiligen Feuchtemessung
anzusetzen ist. Dieser Korrekturwert ist dann von dem gemessenen Wert
der relativen Feuchte abzuziehen oder zu diesem zu addieren.
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Die
Vorrichtung zur Kalibrierung eines Feuchtesensors sieht demgemäß eine Messkammer mit
Gasanschlüssen
gemäß der Erfindung
vor, durch die bei Einstellung zweier verschiedener Strömungswiderstände im ersten
oder zweiten Gasanschluss durch das jeweilige Druckgefälle in der
Messkammer zwei unterschiedliche Gasdruckwerte eingestellt werden
können,
deren Verhältnis
bekannt und reproduzierbar ist. Außerdem ist eine Eingabeeinrichtung vorgesehen, über die
der Kalibriervorrichtung die gemessenen Feuchtewerte des Feuchtesensors
zugeführt
werden können.
Eine Recheneinrichtung der Kalibriervorrichtung bestimmt dann aus
den gemessenen Daten den Korrekturwert und gibt diesen aus.
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Vorteilhaft
wird das Verfahren zur Kalibrierung derart durchgeführt, daß der von
einem gemessenen Feuchtewert zu subtrahierende Korrekturfaktor k
bestimmt wird nach der Gleichung: k = ((P1/P2) · U2 – U2)/(P1/P2 – 1).
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Idealerweise
gilt bei einem Gas gleichbleibender Konsistenz und konstanter Temperatur,
daß das
Verhältnis
der beiden Druckwerte, bei denen gemessen wird, dem Verhältnis der
tatsächlich
vorliegenden relativen Luftfeuchten entspricht: P1/P2
= U1 (real)/U2 (real).
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Da
die gemessenen Feuchtewerte U1, U2 mit den realen Feuchtewerten
vor der Kalibrierung nicht übereinstimmen,
berechnet sich der reale Feuchtewert U1 (real) = U1 – k sowie
U2 (real) = U2 – k.
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Es
ergibt sich die Gleichung: P1/P2 = (U1 – k)/(U2 – k).
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Diese
Gleichung nach k aufgelöst
ergibt: k = ((P1/P2) · U2 – U1)/(P1/P2 – 1).
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Dies
gilt unter der Annahme, daß k
unabhängig
vom Wert von U ist. Durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren läßt sich
somit der Feuchtesensor unter Verwendung eines Drucksensors kalibrieren, ohne
daß die
tatsächlich
vorliegende Feuchte direkt bestimmt wird. Es ist lediglich notwendig,
ein definiertes bekanntes Druckverhältnis von zwei Druckwerten einzustellen,
wobei bei jedem einzelnen der Druckwerte eine Feuchtemessung durchgeführt wird.
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Auf
praktische Weise wird das Verfahren zur Kalibrierung eines Feuchtesensors
in einer druckbeaufschlagbaren gasgefüllten Anlage vorteilhaft derart durchgeführt, daß mittels
eines an der Anlage vorgesehenen Ventils Gas abgelassen oder zugeführt wird,
und daß Druckwerte
und Feuchtewerte vor und nach dem Ablassen / Zuführen von Gas registriert werden,
wobei jeweils vor der Feuchtemessung ein Temperaturausgleich abgewartet
wird.
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An
druckbeaufschlagbaren gasgefüllten
Anlagen sind typischerweise Ventile zum Befüllen mit Gas oder zum Ablassen von
Gas ohnehin vorgesehen. Über
ein derartiges Ventil kann entweder Gas abgelassen oder zugeführt werden,
wobei abgelassenes Gas in einem externen Drucktank gespeichert werden
kann. Vor- und nach dem Ablassen beziehungsweise Zuführen von
Gas werden jeweils Feuchtemessungen durchgeführt, wobei nach dem Ablassen
oder Zuführen
von Gas ein Temperaturausgleich abgewartet werden muß, da beide
Feuchtemessungen bei derselben Temperatur stattfinden müssen und
da durch die Entspannung des Gases beziehungsweise durch die Druckerhöhung eine Temperaturerniedrigung
beziehungsweise -erhöhung
zu erwarten ist.
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Zur
Kalibrierung des Feuchtesensors kann dieser in einer an die Anlage
angeschlossenen Messkammer betrieben werden, so daß die unterschiedlichen
Druckwerte nicht eine Druckänderung
in der gesamten Anlage erfordern, sondern nur der Gasdruck in dem
Teilvolumen eingestellt werden muß, in dem der Feuchtesensor
angeordnet ist. Somit kann die Kalibrierung ohne größere Änderungen
oder Installationen an der druckbeaufschlagbaren gasgefüllten Anlage
von Servicepersonal einfach, zuverlässig und schnell durchgeführt werden.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf eine Sensoranordnung mit einem kalibrierbaren Feuchtesensor
und mit einer Korrektur-einrichtung mit einem Speicher, in dem ein
von dem gemessenen Feuchtewert zu subtrahierender Korrekturwert speicherbar
ist, wobei die Korrektureinrichtung von dem erfaßten Meßwert der Feuchte den Korrekturwert
subtrahiert und insbesondere das Ergebnis einer Anzeigeeinrichtung
zuleitet.
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Die
Sensoranordnung weist somit eine Korrektureinrichtung auf, durch
die nach einer Kalibrierung der von dem Feuchtesensor erfaßte Feuchtewert
mittels des Korrekturwertes korrigiert wird, so daß der tatsächlich vorliegende
Feuchtewert als korrigierter Meßwert
zum Ablesen oder zur Weiterverarbeitung, beispielsweise in einer
Meßwarte
zur Verfügung
steht.
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Gemäß der Erfindung
kann der Strömungswiderstand
des ersten und/oder zweiten Gasanschlusses dadurch geändert werden,
dass er einen ersten Kanal mit einem ersten Strömungswiderstand aufweist sowie
einen zweiten Kanal, der parallel zu dem ersten Kanal verläuft und
mit einer Sperrvorrichtung verschließbar ist. Im geöffneten
Zustand der Sperrvorrichtung überbrückt der
zweite Kanal den ersten Kanal, so dass der gesamte Strömungswiderstand
des jeweiligen Gasanschlusses wesentlich verringert wird. Auf diese
Weise lassen sich durch Schließen
und Öffnen
der Sperrvorrichtung sehr unterschiedliche Strömungswiderstände des
ersten und/oder zweiten Gasanschlusses realisieren.
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Vorteilhaft
ist der Strömungswiderstand,
der an dem zweiten Gasanschluss auftritt, größer als der Strömungswiderstand,
der in dem zweiten Kanal des ersten Gasanschlusses vorgesehen ist.
In diesem Fall kann sich in der Messkammer bei Öffnung des zweiten Einströmkanals
ein erhöhter
Druck aufbauen, der zwischen dem sekundärseitigen Druck des zweiten
Gasanschlusses und dem Druck der druckbeaufschlagbaren Anlage liegt.
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Dabei
kann das Verhältnis
des Strömungswiderstandes
am zweiten Gasanschluss zu dem Strömungswiderstand des zweiten
Kanals des ersten Gasanschlusses größer als 10 zu 1 sein.
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Wenn
der Strömungswiderstand
am zweiten Gasanschluss kleiner ist als der Strömungswiderstand des ersten
Kanals des ersten Gasanschlusses, dabei jedoch wesentlich größer als
der Strömungswiderstand
des zweiten Kanals des ersten Gasanschlusses ist, dann lässt sich
ein besonders großes Druckverhältnis der
beiden jeweils bei geöffnetem oder
gesperrtem zweiten Einströmkanal
realisierbaren Druckwerte realisieren.
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Ist
der Strömungswiderstand
des zweiten Gasanschlusses größer als
der Strömungswiderstand
des ersten Gasanschlusses, dann wird erreicht, dass die Strömungsverhältnisse
relativ unabhängig
von dem sekundärseitig
an dem zweiten Gasanschluss wirkenden Außendruck sind, da sich in jedem
Fall ein Überdruck
in der Messkammer aufbaut, der wesentlich höher ist als der Außendruck.
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Besonders
einfach ist an dem ersten oder zweiten Gasanschluss der zweite Kanal
durch ein Gasrohr realisierbar, das den ersten Kanal überbrückt und
mittels eines Kugelhahns sperrbar ist.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beispielhaft
gezeigt und nachfolgend erläutert.
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Dabei
zeigt
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1 in
einer schematischen Darstellung einen Feuchtesensor sowie eine Vorrichtung
zu seiner Kalibrierung,
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2 schematisch
die Funktion der Recheneinrichtung zur Ermittlung des Korrekturwertes,
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3 ein
Ablaufdiagramm des Kalibriervorgangs,
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4 eine
Messkammer mit Gasanschlüssen
in detaillierter Darstellung.
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1 zeigt
zunächst
einen Feuchtesensor 1 in einer gasdichten Meßkammer 2.
Die Meßkammer 2 weist
einen ersten Gasanschluß 3 und
einen zweiten Gasanschluß 4 auf,
mittels deren die Meßkammer
mit einer gasgefüllten
druckbeaufschlagbaren Anlage 5 einerseits und mit einem
weiteren Gasraum, wahlweise mittels eines Druckschlauchs 6 andererseits
verbunden werden kann.
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Um
beispielsweise die Gasfeuchte in der druckbeaufschlagbaren Anlage 5 zu
messen und gleichzeitig den Feuchtesensor 1 zu kalibrieren,
wird zunächst
die Meßkammer 2 über den
ersten Gasanschluß 3 mit
der druckbeaufschlagbaren Anlage 5 verbunden, so dass Gas
durch einen ersten Kanal 3a einströmen kann, welches durch den
zweiten Gasanschluss 4 wieder aus der Messkammer ausströmt. Bei
dem sich durch das Verhältnis
der Strömungswiderstände einstellenden
ersten Druckwert wird der erste Feuchtewert bestimmt. Danach wird
der Strömungswiderstand
des ersten Gasanschlusses auf einen zweiten Wert geändert, dadurch
dass ein Kugelhahn in einem zweiten Kanal 3b geöffnet wird.
Es stellt sich dadurch ein zweiter Druckwert in der Messkammer ein,
bei dem der zweite Feuchtewert gemessen wird. Beim Kalibriervorgang
wird die Korrektureinrichtung 8 vorübergehend überbrückt.
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Die
verschiedenen Druckwerte können
auch dadurch einstellbar sein, dass der Strömungswiderstand des zweiten
Gasanschlusses definiert veränderbar
ist.
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Aus
dem bekannten Verhältnis
der Druckwerte sowie den beiden gemessenen und unkorrigierten Feuchtemeßwerten
kann dann ein Korrekturwert ermittelt werden, der in dem Speicher 10 abgelegt
wird. Bei folgenden Feuchtemessungen wird dann innerhalb der Korrektureinrichtung 8 der
im Speicher abgelegte Korrekturwert von dem durch den Feuchtesensor 1 gemessenen
Feuchtewert in einer Subtraktionseinheit 11 abgezogen und
ein korrigierter Messwert mittels einer Anzeige 17 ausgegeben.
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In
der 2 sind schematisch die Erfassungs- und Rechenschritte
bei einem Kalibriervorgang dargestellt. Mittels des Feuchtesensors 1 wird in
einem ersten Schritt der Feuchtewert U1 erfasst und in einem ersten
Datenspeicher 12 hinterlegt.
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In
einem zweiten Schritt wird dann bei dem zweiten Druckwert und ansonsten
gleichen Umgebungsbedingungen ein zweiter Feuchtewert U2 gemessen
und gespeichert.
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Das
Verhältnis
P1/P2 ist vorberechnet und in einem Datenspeicher 14 hinterlegt.
In einer Rechen-einrichtung 15 wird dann mittels eines
Mikroprozessors k nach der oben angegebenen Formel berechnet und
an eine Ausgabeeinrichtung 16 weitergegeben, die den Korrekturwert
beispielsweise an die Korrektureinrichtung 8 weitergibt,
wo dieser im Speicher 10 gespeichert wird.
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In
der 3 ist der Kalibriervorgang nochmals in Form von
Ablaufschritten dargestellt. In einem ersten Schritt 101 wird
in der Messkammer mittels des ersten Strömungswiderstands ein bestimmter
Druck eingestellt. Im zweiten Schritt 102 wird der Feuchtewert
U1 gemessen.
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Im
dritten Schritt 103 wird der Druck in der Meßkammer
durch Einstellen eines zweiten Strömungswiderstandes im ersten
Gasanschluss auf einen zweiten Wert geändert.
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Im
vierten Schritt 104 wird ein zweiter Feuchtewert U2 gemessen.
Im fünften
Schritt 105 wird der Quotient aus U1 und U2 berechnet.
Im sechsten Schritt 106 werden die Quotienten aus P1 und
P2 sowie U1 und U2 miteinander verglichen. Stimmen die beiden Quotienten überein,
so wird im nächsten Schritt
(109) der Korrekturwert k = 0 gesetzt und das Kalibrierverfahren
beendet. Stimmen die Quotienten nicht überein, so wird im nächsten Schritt 107 k
aus der oben angegebenen Formel berechnet. Im achten Schritt 108 wird
dann k im Speicher 10 zur Korrektur folgender Feuchtemessungen
gespeichert.
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4 zeigt
im Detail die Kalibriervorrichtung mit einer Messkammer 2,
die einen ersten Gasanschluss 3 und einen zweiten Gasanschluss 4 aufweist,
wobei der erste Gasanschluss 3 mit einer gasdruckbeaufschlagbaren
Anlage 5 verbunden ist und einen ersten Einströmkanal 3a sowie
einen zweiten Einströmkanal 3b in
Form eines Gasrohres aufweist. Der erste Einströmkanal 3a hat eine
Engstelle 3d, die einen vergrößerten ersten Strömungswiderstand
aufweist.
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Der
zweite Einströmkanal 3b ist
im ersten Zustand durch den Kugelhahn 3c, der symbolisch durch
eine dicke Linie dargestellt ist, verschlossen und in einem zweiten
Zustand geöffnet,
so dass er den ersten Einströmkanal 3a überbrückt.
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In
dem geöffneten
Zustand des Kugelhahns 3c herrscht in der Messkammer 2 annähernd derselbe
Druck wie in der Anlage 5, da durch den zweiten Gasanschluss 4 das
Gas nicht so schnell ausströmen kann,
wie es durch den ersten Gasanschluss 3 einströmt. Der
Gasanschluss 4 führt
ins Freie, das heißt, er
ist sekundärseitig
mit Atmosphärendruck
verbunden. Er weist eine Engstelle 4a auf, die einen dritten Strömungswiderstand
hat.
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Ist
der Kugelhahn 3c geschlossen, so kann das Gas aus der Anlage 5 lediglich
durch die Engstelle 3d in die Messkammer einströmen, so
dass sich in der Messkammer 2 nach dem Verhältnis der
Strömungswiderstände der
Engstellen 3d, 4a ein Zwischendruck einstellt.
Die beiden genannten Druckwerte lassen sich gut reproduzieren und
ihr Verhältnis
steht reproduzierbar fest und ist gemessen. Der Quotient ist in
dem Speicher 14 aus 2 abgelegt.
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Bei
einer Beispielkalibrierung wurde zunächst ein erster Druckwert P1
= 4,5 bar eingestellt. Bei diesem Druckwert wurde mittels des Feuchtesensors
ein Feuchtewert U1 = 1,7% relative Feuchte gemessen. Bei einem zweiten
Gasdruck von 0,9 bar nach Öffnung
des Kugelhahns wurde ein Feuchtewert von 0,5% relativer Feuchte
gemessen. Der Quotient der Druckwerte betrug 5.
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Damit
müßte der
relative Feuchtewert bei hohem Druck von 1,7% relativer Feuchte
auf 0,34% relativer Feuchte bei dem niedrigeren Druckwert absinken.
Gemessen wurde aber ein Wert von 0,5% relativer Feuchte bei dem
niedrigeren Druckwert. Das heißt,
es ist eine Korrektur notwendig, k ergibt sich wie folgt k = (5·0,5%
r. F – 1,7%
r. F)/(5 – 1)
= 0,2% r. F.
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Die
korrigierten Feuchtewerte gemäß der durchgeführten Messung
sind dann U1 (real) = 1,7% r. F – 0,2% r. F = 1,5% r. F und U2 (real) = 0,5% r. F – 0,2% r. F = 0,3% r. F.
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Das
beschriebene Kalibrierverfahren kann während des Betriebs des Feuchtesensors
zyklisch beziehungsweise periodisch durchgeführt und jeweils ein neuer Korrekturwert
berechnet und gespeichert werden.