DE3231995A1 - Verfahren und anordnung zum messen der verschmutzung eines kapazitiven taupunktsensors - Google Patents

Verfahren und anordnung zum messen der verschmutzung eines kapazitiven taupunktsensors

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Description

PRINZ, BUNK&:&.PARTNEB
Patentanwälte · .European* Pptenj Attorneys* 3231995 München ^ " Stuttgart*
Endress u. Hauser GmbH u. Co. 26· August 1982
Hauptstraße 1
7867 Maulburg
Unser Zeichen: E 1108
Verfahren und Anordnung zum Messen der Verschmutzung eines kapazitiven Taupunktsensors
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen der Verschmutzung eines kapazitiven Taupunktsensors sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Kapazitive Taupunktsensoren werden in Taupunktmeßgeräten dazu verwendet, das Auftreten des Taubeschlags auf der Kondensationsfläche beim Erreichen der Taupunkttemperatur festzustellen. Ihre Wirkung beruht darauf, daß sich die Sensorkapazität wegen der großen Dielektrizitätskonstante von Wasser bei der Bildung einer Tauschicht beträchtlich ändert. Durch eine Temperaturregelung kann die Kapazität und damit die Tauschichtdicke auf einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden. Die von einem Temperatursensor gemessene Temperatur der Kondensationsfläche ist dann die Taupunkttemperatur.
Lei/Ma
Die Meßgenauigkeit solcher kapazitiver Taupunktsensoren nimmt mit zunehmender Verschmutzung der Sensoroberfläche ab. Ursachen hierfür sind die Dampfdruckerniedrigung und eine nichthomogene Taubildung. Die Kondensationsfläche des Taupunktsensors muß deshalb von Zeit zu Zeit gereinigt werden. Da es jedoch schwierig ist, den Verschmutzungsgrad festzustellen, besteht die Gefahr, daß längere Zeit unbemerkt zunehmende Meßfehler auftreten, oder daß bei zu häufiger Reinigung die Taupunktmessung unnötig oft unterbrochen wird.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem die Verschmutzung eines kapazitiven Taupunktsensors ohne Störung oder Unterbrechung der Taupunktmessung fortlaufend gemessen werden kann.
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Phasenwinkel der bei Betauung bestehenden Sensorimpedanz gemessen und als Maß für die Verschmutzung verwendet wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich der Phasenwinkel der Sensorimpedanz in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad des Taupunktsensors ändert. Im trockenen Zustand ist die Impedanz des Taupunktsensors, unabhängig vom Verschmutzungsgrad, praktisch ein rein kapazitiver Blindwiderstand, so daß die Sensorimpedanz den Phasenwinkel φ = -90° hat. Wenn sich auf dem Taupunktsensor eine Wasserschicht bildet, hängt der Phasenwinkel von der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers ab. Bei reinem Wasser bleibt im wesentlichen der Phasenwinkel φ = -90° bestehen. Dieser Zustand tritt ein, wenn sich der Taubeschlag auf einer vollkommen sauberen Kondensationsfläche bildet. Wenn dagegen die Kondensationsfläche verschmutzt ist, lösen sich die Verschmutzungen in dem Wasser des Taubeschlags,
• ■ « ·
wodurch das Wasser elektrisch leitfähig wird. Je größer die Leitfähigkeit ist, um so kleiner wird der Phasenwinkel φ der Sensorimpedanz.
Die Messung des Phasenwinkels der Sensorimpedanz als Maß für die Verschmutzung des Taupunktsensors ergibt ein Signal, das sich analog zum Verschmutzungsgrad ändert. Die Messung kann gleichzeitig mit der Taupunktmessung kontinuierlich durchgeführt werden, ohne daß die Taupunktmessung dadurch in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Die Verschmutzungsmessung ist weitgehend unabhängig von anderen Einflußgrößen, wie Taupunkttemperatur, Gastemperatur, Taupunktabstand und Luftgeschwindigkeit.
Ferner wurde festgestellt, daß für nicht zu hohe Meßfrequenzen der Phasenwinkel φ der Sensorirapedanz unabhängig von der Wassermenge, also von der Tauschichtdicke ist. Im übrigen ist der Einfluß der Tauschichtdicke auch bei höheren Frequenzen nicht störend, da gewöhnlich durch Temperaturregelung eine konstante Tauschichtdicke eingestellt wird, so daß auch für den Zusammenhang zwischen Phasenwinkel und Verschmutzungsgrad ein eindeutiges Ergebnis erhalten wird.
Dagegen wurde festgestellt, daß der Betrag der Sensorimpedanz ein Maß für die Wassermenge, also für die Tauschichtdicke ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung besteht daher darin, daß der Betrag der Sensorimpedanz als Maß für die Tauschichtdicke gemessen wird.
Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen kapazitiven Taupunktsensor in Dünnfilmtechnik,
Fig. 2 eine Schnittansicht des Taupunktsensors von Fig. und
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild eines Taupunktmeßgeräts mit einem kapazitiven Taupunktsensor und mit einer Anordnung zur Messung der Verschmutzung des Taupunktsensors.
Der in Fig. 1 in Draufsicht und in Fig. 2 im Schnitt dargestellte kapazitive Taupunktsensor 1 hat ein Substrat 2, auf dessen Oberfläche zwei ineinandergreifende Kammelektroden 3 und 4 in Dünnfilmtechnik gebildet sind. Das Substrat 2 besteht aus einem feuchtigkeitsunempfindlichen Isoliermaterial, vorzugsweise aus Keramik. An die Kammelektroden 3, 4 sind Kontaktflächen 5 bzw. 6 angeformt, die den Anschluß einer äußeren Meßschaltung ermöglichen. Die die Kammelektroden 3, 4 tragende Fläche des Substrats 2 ist mit einer Schutzschicht 7 bedeckt, die beispielsweise aus Glas besteht. Auf der Oberseite des Taupunktsensors. ist ferner ein Temperatursensor 8 zur Messung der Temperatur des Taupunktsensors angebracht. Der Temperatursensor kann beispielsweise der Meßwiderstand eines Widerstandsthermometers sein.
Bei Verwendung eines solchen kapazitiven Taupunktsensors in einem Taupunktmeßgerät wird bekanntlich der Taupunktsensor durch eine geeignete Kühleinrichtung abgekühlt, bis
-,ar--
9-
• ·
sich auf der Oberseite der Schutzschicht 7 Tau niederschlägt. Durch die Bildung der Tauschicht ändert sich die an den Kontaktflächen 5 und 6 gemessene Kapazität zwischen den Kämmelektroden 3 und 4 wegen der großen Dielektrizitätskonstante von Wasser. Die Kapazitätsänderung zeigt das Erreichen der Taupunkttemperatur an, die mit Hilfe des Temperatursensors 8 gemessen und angezeigt wird. Gewöhnlich ist eine Temperaturregeleinrichtung vorhanden, die die Kühleinrichtung so steuert, daß eine konstante Tauschichtdicke aufrechterhalten wird. Der Taupunktsensor wird dadurch ständig auf der Taupunkttemperatur gehalten, die mit Hilfe des Temperatursensors 8 dauernd angezeigt werden kann.
Die Meßgenauigkeit des Taupunktsensors wird beeinträchtigt, wenn die die Kondensationsfläche bildende Oberfläche der Glasschicht 7 verschmutzt ist, weil die Verschmutzung zu einer Dampfdruckerniedrigung und einer nichthomogenen Taubildung führen kann.
Fig. 3 zeigt das Schaltschema eines Taupunktmeßgeräts, das außer der Messung der Taupunkttemperatur auch die Messung der Verschmutzung des Taupunktsensors ermöglicht.
Das Ersatzschaltbild des Taupunktsensors ist in dem gestrichelten Kasten 1 dargestellt. Der Kondensator C stellt die im trockenen Zustand zwischen den Kontaktflächen 5 und 6 erscheinende Kapazität des Taupunktsensors dar, die praktisch verlustfrei ist. Wenn sich auf dem Taupunktsensor eine Tauschicht gebildet hat, liegt parallel zu dieser Kapazität C die Impedanz Z der Tauschicht, die eine verlustbehaftete Kapazität darstellt, deren Verlustfaktor von der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers abhängt, die wiederum durch den auf der Kondensationsfläche vorhan-
denen Schmutz verursacht wird, der sich im Wasser löst.
Die Kontaktfläche 5 ist mit der einen Klemme einer Wechselspannungsquelle 10 verbunden, deren andere Klemme an Masse liegt. Die Kontaktfläche 6 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 11 verbunden, dessen nichtinvertierender Eingang an Masse gelegt ist und in dessen Rückkopplungszweig eine Bezugsimpedanz Z liegt.
Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 11 ist ferner mit der einen Klemme eines einstellbaren Kompensationskondensators 12 verbunden, dessen andere Klemme an eine Wechselspannungsquelle 13 angeschlossen ist, die eine zur Wechselspannung U. der Wechselspannungsquelle 10 gegenphasige Wechselspannung -U. gleicher Amplitude liefert.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 11 ist mit dem einen Eingang einer Phasenmeßschaltung 14 verbunden, die am anderen Eingang die Spannung U. der Wechselspannungsquelle 10 als Phasenbezugsgröße empfängt. Die Phasenmeßschaltung 14 liefert am Ausgang ein von der Phasenverschiebung zwischen ihren Eingangsspannungen abhängiges Signal.
Ferner ist an den Ausgang des Operationsverstärkers 11 eine Signalverarbeitungsschaltung 15 angeschlossen, deren Ausgangssignal einem Temperaturregler 16 zugeführt wird. Der Temperaturregler 16 steuert eine Kühleinrichtung 17, die den Taupunktsensor 1 kühlt. Fig. 3 zeigt noch den Temperatursensor 8, der mit einer Temperaturmeßschaltung 18 verbunden ist, die ein von der Temperatur des Taupunktsensors 1 abhängiges Signal liefert, das mittels, einer Anzeigevorrichtung 19 angezeigt wird.
Wenn angenommen wird, daß sich eine Tauschicht auf dem Taupunktsensor gebildet hat, ist außer der Trockenkapazität C auch die Impedanz Z der Tauschicht vorhanden. Die Spannungsquelle 10 schickt über die Gesamtimpedanz des Taupunktsensors 1 zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11 einen Strom, der sich aus dem über die Kapazität C fließenden Strom I und aus dem über die Impedanz Z der Tauschicht fließenden Strom I„ zusammensetzt:
1 = 1C + 1Z-
Der Kompensationskondensator 12 ist so eingestellt, daß seine Kapazität gleich der Trockenkapazität C des Taupunktsensors 1 ist. Die Spannungsquelle 13 schicht somit über den Kompensationskondensator 12 einen Strom -Ip/ der den vom Taupunktsensor 1 kommenden Strom I kompensiert. Über die Bezugsimpedanz Z_ fließt somit nur der Strom I17, der der Impedanz Z umgekehrt proportional ist.
Die Ausgangsspannung U_ des Operationsverstärkers 11 nimmt somit den folgenden Wert an:
π = - υ —
U0 Ui Z '
Die Spannung U hat somit einen Betrag, der dem Betrag der Impedanz Z umgekehrt proportional ist, und sie weist gegenüber der Spannung U. eine Phasenverschiebung auf, die vom Phasenwinkel der Impedanz Z abhängt. Durch geeignete Bemessung des Phasenwinkels der Bezugsimpedanz Z kann erreicht werden, daß diese Phasenverschiebung gleich dem Phasenwinkel der Impedanz Z ist.
Wenn die Impedanz der Tauscnicht in der komplexen Form
Z = R + jX
— So —
4tr
geschrieben wird, worin R den Realteil und X den Imaginärteil der Impedanz darstellen, ist bekanntlich der Phasenwinkel der Impedanz Z durch die folgenden Beziehung definiert:
φ = arctg |. .
Wenn die Kondensationsfläche des Taupunktsensors vollkommen sauber ist, bleibt das Wasser in der sich niederschlagenden Tauschicht elektrisch nichtleitend und die Impedanz Z ist praktisch eine reine Kapazität, die parallel zur Trockenkapazität C liegt. Der Realteil der Impedanz Z ist R=O, und der Phasenwinkel der Impedanz Z hat den Wert φ = -90°. Mit zunehmender Verschmutzung des Taupunktsensors nimmt die elektrische Leitfähigkeit des Wassers in der Tauschicht zu, und demzufolge wird der Realteil R der Impedanz der Tauschicht größer, so daß der Winkel φ .dem Absolutwert nach kleiner wird. Demzufolge ändert sich auch die Phasenverschiebung zwischen der Ausgangsspannung Un des Operationsverstärkers 11 und der Eingangsspannung U.. Diese Änderung der Phasenverschiebung wird durch das Ausgangssignal der Phasenmeßschaltung 14 angezeigt, das somit ein Maß für die Verschmutzung des Taupunktsensors 1 ist.
Wenn die Frequenz der Wechselspannungsquelle 10 nicht allzu groß ist, ist der Phasenwinkel φ weitgehend unabhängig von der auf dem Taupunktsensor befindlichen Wassermenge..
Die Tatsache, daß die Amplitude der Ausgangsspannung U des Operationsverstärkers 11 vom Betrag der Impedanz Z abhängt, wird bei der dargestellten Schaltung zur Durchführung der Taupunktmessung ausgenutzt, so daß keine beson-
dere Kapazitätsmeßschaltung erforderlich ist.
Die Amplitude der Spannung Un ist zum Betrag der Impedanz Z umgekehrt proportional, was günstig ist, weil
sich der Betrag der Impedanz Z entgegengesetzt zur Tauschichtdicke ändert, nämlich mit zunehmender Tauschichtdicke kleiner wird. Die Amplitude der Spannung Un ändert sich also in Abhängigkeit von der Tauschichtdicke im
gleichen Sinne wie das Ausgangssignal der bei Taupunktmeßgeräten üblicherweise verwendeten Kapazitätsmeßschaltungen, nämlich gleichsinnig mit der Tauschichtdicke.
Wenn daher die Signalverarbeitungsschaltung so ausgebildet ist, daß sie ein der Amplitude der Spannung U proportionales Ausgangssignal abgibt, kann dieses Ausgangssignal in gleicher Weise wie das Ausgangssignal einer
üblichen Kapazitätsmeßschaltung zur Regelung der Temperatur des Taupunktsensors verwendet werden.
Die Signalverarbeitungsschaltung 15 kann daher eine einfache Gleichrichterschaltung sein, die eine der Amplitude der Spannung U proportionale Gleichspannung zum Temperaturregler 16 liefert.
Wenn der Taupunktsensor 1 noch nicht auf die Taupunkttemperatur abgekühlt ist, besteht nur die Trockenkapazität C, die jedoch durch den Kompensationskondensator 12 kompensiert ist, so daß die Ausgangsspannung UQ den Wert Null
hat. Dadurch wird der Temperaturregler 16 veranlaßt, die Kühleinrichtung 17 so zu steuern, daß der Taupunktsensor zunehmend abgekühlt wird. Wenn die Taupunkttemperatur erreicht ist und sich eine Tauschicht auf dem Taupunktsensor bildet, steigt die Ausgangsspannung U an, und der Temperaturregler 16 steuert die Kühleinrichtung 17 so, daß der Taupunktsensor 1 auf einer Temperatur gehalten wird, die einer vorbestimmten Amplitude der Ausgangsspannung U , also einem vorbestimmten Wert dt^ Betrags der Impedanz Z ent-
spricht. Diese Temperatur ist die Taupunkttemperatur, die vom Temperatursensor 8 festgestellt und vom Anzeigegerät 9 angezeigt wird.
Das Ausgangssignal der Phasenmeßschaltung 14 kann dazu verwendet werden, einen Alarm oder einen automatischen Reinigungsvorgang auszulösen, wenn die Verschmutzung einen festgelegten Grenzwert übersteigt. In beschränktem Maße ist es auch möglich, aufgrund des Ausgangssignals der Phasenmeßschaltung eine Korrektur des Taupunktmeßwerts vorzunehmen.
Die durch den Kompensationskondensator 12 und die Spannungsquelle 13 bewirkte Kompensation der Trockenkapazität C ist nicht unbedingt erforderlich, denn von der Verschmutzung des Taupunktsensors hängen nicht nur Phase und Betrag der Impedanz Z, sondern auch die Phase und der Betrag der Gesamptimpedanz des Taupunktsensors einschließlich der Trokkenkapazität C ab. Die in Fig. 3 dargestellte Kompensation macht aber die Verschmutzungsmessung genauer und empfindlicher. Ein besonderer Vorteil der in Fig. 3 dargestellten Schaltung besteht darin, daß die Messung unabhängig von der Impedanz des Verbindungskabels zwischen dem Taupunktsensor und der Meßschaltung ist, weil die Kabelimpedanz zwischen den beiden Eingängen des Operationsverstärkers 11 liegt.
Leerseite

Claims (5)

PRINZ, BUfNlKE-A.PARTNER Patentanwälte · JcurctpeaYi; Pgtfsnt; Attorney«' 3231995 München Stuttgart Endress u. Hauser GmbH u. Co. 26· August 1982 Hauptstraße 1 Maulburg Unser Zeichen: E 1108 Patentansprüche
1. Verfahren zum Messen der Verschmutzung eines kapazitiven Taupunktsensors, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenwinkel der bei Betauung bestehenden Sensorimpedanz gemessen und als Maß für die Verschmutzung verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Sensorimpedanz als Maß für die Tauschichtdicke gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im trockenen Zustand bestehende Kapazität des
• Taupunktsensors kompensiert wird.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Taupunktsensor zwischen einer Wechselspannungsquelle und dem Eingang eines Operationsverstärkers angeschlossen ist, in dessen Rückkopplungszweig eine
Bezugsimpedanz liegt, und daß der Ausgang des Opera-Lei /Ma
tionsverstärker mit dem einen Eingang einer Phasenmeßschaltung verbunden ist, die am anderen Eingang ein von der WechselSpannungsquelle abgeleitetes Phasenbezugssignal empfängt und ein vom Phasenwinkel der Sensorimpedanz abhängiges Ausgangssignal liefert.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kömpensationskondensator zwischen einer zur ersten Wechselspannungsquelle gegenphasigen zweiten Wechselspannung squelIe und dem Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist.
DE3231995A 1982-08-27 1982-08-27 Verfahren und Anordnung zum Messen der Verschmutzung eines kapazitiven Taupunktsensors Expired DE3231995C2 (de)

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