DE3411306A1

DE3411306A1 - Hygrometersonde

Info

Publication number: DE3411306A1
Application number: DE19843411306
Authority: DE
Inventors: James B. Scotts Valley Calif. Jerde; Eugene J. Martinez Calif. Rosa
Original assignee: ONDYNE Inc
Current assignee: ONDYNE Inc
Priority date: 1983-03-28
Filing date: 1984-03-27
Publication date: 1984-10-11
Also published as: DE3411306C2; US4503707A; JPS59183357A

Description

PRINZ, LblbbH, tturxmt Cx - i-vam-m-mcη

I'i'lti'MliiiiWiilli" F πι o| )C','iii P;itcnt Attorneys

München __ Λ , Stuttgart

27. März 1984

Ondyne Inc.

1090A Shary Circle

Concord, California 94518 /V.St.A.

Unser Zeichen: 0 394

Hygrometersonde

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen zur Messung physikalischer Größen und insbesondere eine temperatur- und druckkompensierte Hygrometersonde.

Aluminiumoxid-Hygrometersonden oder -sensoren sind beispielsweise aus den US-PSen 3 075 385, 3 121 853, 3 523 244, 3 539 917 und 3 987 676 bekannt. Diese Sensoren fühlen Feuchte unter Ausnutzung des elektrischen Widerstandes und/oder der Kapazität und enthalten im typischen Fall eine erste elektrisch leitende Metallschicht, wie Aluminium, eine Schicht aus feuchteempfindlichem Material, wie Aluminiumoxid, und eine zweite elektrisch leitende Metallschicht, die in einer Sandwich-Struktur über der Aluminiumoxidschicht gebildet ist. Die zweite Metallschicht ist dünn genug, um den Durchgang von Feuchtigkeit zu der feuchteempfindlichen Schicht zu erlauben, wodurch Impedanzänderungen zwischen der ersten und der

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zweiten elektrisch leitenden Schicht verursacht werden.

Aluminiumoxid-Hygrometer sind von Natur aus nichtlinear. Zur Erzielung einer genauen Messung müssen daher Korrekturmaßnahmen getroffen werden. Wie in der US-PS 3 987 beschrieben ist, sind bereits früher Anstrengungen unternommen worden, um einen verbesserten Aluminiumoxidsensor zu erzeugen, der eine lineare Impedanzänderung in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit hat. Die meisten Aluminiumoxidsensoren ergeben jedoch ein nichtlineares analoges Ausgangssignal. Bisher war es daher notwendig, jede Sonde mit äußeren Hilfseinrichtungen zu verbinden, um das Ausgangssignal der Sonde zu linearisieren. Wenn ferner die Sonde in Verbindung mit Computersystemen verwendet wird, muß das Ausgangssignal von einem Analogsignal in ein Digitalsignal umgewandelt werden. Die Verwendung von Mehrfachsonden erfordert eine entsprechend große Zahl von äußeren Einrichtungen zur Linearisierung und Digitalumsetzung jedes Sondenausgangssignals.

Es ist erwünscht, daß jede einzelne Sonde ihre eigenen Fähigkeiten zur Linearisierung und Analog/Digital-Umsetzung hat, so daß sie ein linearisiertes digitales Ausgangssignal liefert. Es ist ferner erwünscht, daß das digitale Ausgangssignal eine Anzeige für den Taupunkt, den partialen Wasserdampfdruck, die Temperatur und den Druck enthält, und daß jeder dieser Werte über eine gemeinsame Datenverbindung in einem Mehrfachsondensystem übertragen wird. Außerdem ist es manchmal erwünscht,

³^ daß die Feuchtemessung in Abhängigkeit von der Temperatur oder vom Druck verarbeitet wird, damit verschiedene feuchteabhängige Ausgangssignale erhalten werden.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Sonde ° mit internen Fähigkeiten der Linearisierung und Analog/ Digital-Umsetzung.

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Insbesondere wird mit der Erfindung eine Hygrometersonde geschaffen, die ein Sensorsystem für Feuchtigkeit, Temperatur und Druck enthält, den Feuchtemeßwert linearisiert und ein digitales Ausgangssignal liefert, das

b Meßwerte für die linearisierte Feuchtigkeit, die Temperatur und den Druck anzeigt.

Ferner wird mit der Erfindung eine Hygrometersonde geschaffen, die auf Feuchte und Temperatur anspricht und ein feuchteabhängiges Ausgangssignal liefert, das eine Funktion der Temperatur ist.

Weiterhin wird mit der Erfindung eine Hygrometersonde geschaffen, die auf Feuchte, Temperatur und Druck anspricht und zwei feuchteabhängige Ausgangssignale liefert, die Funktionen der Temperatur bzw. des Drucks sind.

Schließlich wird mit der Erfindung ein Mehrfach-Hygrometersondensystem zur Übertragung von mehreren Meßwerten von jeder Sonde über eine gemeinsame Datenverbindung zu einem zentralen Überwachungspunkt geschaffen.

Eine nach der Erfindung ausgebildete Hygrometersonde enthält ein Gehäuse, eine im Gehäuse angeordnete, auf Feuchte ansprechende Sensoreinrichtung, die ein nichtlineares feuchteabhängiges Signal liefert, und eine im Gehäuse angeordnete Signalverarbeitungsanordnung zur Linearisierung des nichtlinearen feuchteabhängigen Signals, die ein digitales feuchteabhängiges Signal lie-

fert.

Das Sondengehäuse weist einen Sondenkopf und einen sich vom Sondenkopf erstreckenden hohlen Sondenstiel auf. Der Feuchtesensor ist im Sondenstiel untergebracht. Die Signalverarbeitungsanordnung ist im Sondenkopf untergebracht. Die Sonde bildet somit eine abgeschlossene Einheit, bei der die Sensoreinrichtungeji und die Signal-

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Verarbeitungsanordnung im Sondcmjchäuse integriert sind.

Bei einer Ausführungsform enthält die Sonde einen auf Feuchte ansprechenden ersten Sensor, der ein feuchteabhängiges Signal liefert, einen auf Temperatur ansprechenden zweiten Sensor, der ein temperaturabhängiges Signal liefert, und eine Signalverarbeitungsanordnung zur Linearisierung des feuchteabhängigen Signals und zur Umwandlung des feuchteabhängigen Signals und des temperaturabhängigen Signals in digitale Ausgangssignale.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält die auf Feuchte ansprechende Einrichtung einen kapazitiven Aluminiumoxidsensor. Die Kapazität des Feuchtesensors ändert sich in Abhängigkeit von der Feuchte- Eine erste Signalbehandlungsanordnung, welche den Feuchtesensor mit der Signalverarbeitungsanordnung verbindet, enthält einen Oszillator. Der Oszillator erzeugt ein Rechtecksignal, dessen Frequenz in Beziehung zu der Kapazität des Feuchtesensors steht. Der Temperatursensor enthält eine Zenerdiode. Der Temperatursensor liefert eine Gleichspannung, deren Höhe in Beziehung zur Temperatur steht. Eine zweite Signalbehandlungsanordnung, welche den Temperatursensor mit der Signalverarbeitungsanordnung verbindet, enthält einen Spannungs/Frequenz-Wandler. Der Spannungs/ Frequenz-Wandler wandelt das vom Temperatursensor gelieferte Spannungssignal in ein Rechtecksignal um. Die Frequenz des Rechtecksignals steht in Beziehung zu der

Höhe der vom Temperatursensor gelieferten Spannung. 30

Bei einem Ausführungsbeispiel enthält die Signalverarbeitungsanordnung einen Mikroprozessor. Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er das feuchteabhängige Signal und das temperaturabhängige Signal kontinuierlich abliest. Eine Anordnung zur Verbindung der ersten Signalbehandlungsschaltung und der zweiten Signalbehandlungsschaltung mit dem Mikroprozessor enthält einen Multiplexer. Das feuchteabhängige Rechtecksignal ist an einen

Eingang diis Multiplexers angelegt, und das temperaturabhängige Rechtecksignal ist an einen anderen Eingang des Multiplexers angelegt. Der Mikroprozessor ist mit dem Multiplexer verbunden und wählt das Signal aus, das abgelesen werden soll.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die Sonde im Gehäuse einen dritten Sensor, der auf Druck anspricht und ein druckabhängiges Signal liefert. Der Mikroprozessor wandelt das druckabhängige Signal in ein den Druck darstellendes digitales Ausgangssignal um. Diese Ausführungsform enthält auch Einrichtungen zur Verbindung des Temperatursensors und des Drucksensors mit der zweiten Signalbehandlungsanordnung. Diese Verbindungseinrichtung enthält einen weiteren Multiplexer.

Der Mikroprozessor enthält Einrichtungen zur Erzeugung eines seriellen Datenausgangssignals, um den linearisierten Feuchtewert, den Temperaturwert und den Druckwert zu einem zentralen Überwachungssystem zu senden. Der Mikroprozessor enthält ferner Einrichtungen, um selektiv auf ein serielles Dateneingangssignal anzusprechen, so daß mehrere Sonden über eine gemeinsame Verbindung mit einem einzigen Überwachungssystem verbunden werden können.

.Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er den Feuchtewert, den .Temperaturwert und den Druckwert mit voreingestellten Grenzwerten vergleicht, die vom Benutzer in eine löschbare Speichereinheit eingegeben worden sind. Ein Ausgang des Mikroprozessors wird in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs eingestellt oder zurückgestellt. Dieser Ausgang kann zur Auslösung eines

Alarms verwendet werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verarbeitet der Mikroprozessor das feuchteabhängige Signal

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als Funktion der Temperatur und des Drucks, und er liefert zusätzliche digitale feuchteabhängige Signale als Funktionen der Temperatur und des Drucks.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Sonde, die die Erfindung verkörpert,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines in der Sonde von Fig. 1 verwendeten Aluminiumoxid-Feuchtesensors, 15

Fig. 3 das Blockschema einer Ausführungsform eines Sensor- und Signalverarbeitunssystems, das in der Sonde von Fig. 1 enthalten ist,

Fig. 4 das Blockschema einer anderen Ausführungsform des Sensor- und Signalverarbeitungssystems, das in der Sonde von Fig. 1 enthalten ist,

Fig. 5 ein Flußdiagramm der Verfahrensschritte, die beim Betrieb der Sonde von Fig. 1 ausgeführt werden und

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Mehrfachsonden-

systems, bei dem mehrere gemäß der Erfindung ³^ ausgeführte Sonden verwendet werden.

Eine nach der Erfindung ausgebildete Hygrometersonde 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Zum Zweck der Erläuterung wird die Erfindung anhand einer Sonde für die Messung von Feuchte, Temperatur und Druck beschrieben, doch könnte eine nach der Erfindung ausgebildete Sonde auch zur Messung anderer oder zusätzlicher physikalischer

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Größen oder Parameter verwendet werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Hygrometersonde 10 ein Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 hat einen Sondenkopf 14, der einen Hohlraum 16 bildet, der durch einen abnehmbaren Deckel 18 verschließbar ist. Zum Gehäuse 12 gehört ferner ein hohler Stiel 20, der mit dem Sondenkopf 14 verbunden ist und sich von diesem nach außen erstreckt. Die Sonde 10 kann durch eine Datenverbindung 22 mit einem äußeren Überwachungssystem elektrisch verbunden sein. Im Sondenkopf 14 und im Stiel 20 der Sonde 10 ist ein Sensor- und Signalverarbeitungssystem 30 untergebracht, das auf physikalische Größen oder Parameter anspricht und ein linearisiertes digitales Ausgangssignal liefert. Die Sonde 10 ist eine unabhängige, in sich geschlossene Einheit mit den innewohnenden Fähigkeiten, auf physikalische Größen anzusprechen, die Analogmeßwerte der physikalischen Größen zu linearisieren, die Analogmeßwerte in digitale Signale umzuwandeln und die die Meßwerte darstellenden seriellen Daten über eine einzelne Leitung in der Datenübertragungsverbindung 22 zu einer übergeordneten Überwachungseinheit zu übertragen.

Das Sensor- und Signalverarbeitungssystem 30 enthält einen Feuchtesensor 32, einen Temperatursensor 34 und eine Signalverarbeitungsschaltung 50. Bei einer anderen Ausführungsform enthält das Sensor- und Signalverarbeitungssystem 30' auch einen Drucksensor 36. Die Sensoren

32, 34 und 36 sind in dem Sondenstiel 20 untergebracht, und die Signalverarbeitungsschaltung 50 ist in dem Sondenkopf 14 untergebracht. Es ist erkennbar, daß die Hygrometersonde 10 im Rahmen der Erfindung auch nur einen einzigen Sensor (z.B. einen Feuchtesensor 32) enthalten kann. Das in Fig. 3 dargestellte Sensor- und Signalverarbeitungssystem 30 enthält den Feuchtesensor 32 und ' den Temperatursensor 34. Das in Fig. 4 dargestellte

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System 30' enthält die Sensoren 32 und 34 und zusätzlich einen Drucksensor 36.

Der Feuchtesensor 32 kann jeder beliebige Typ eines feuchteempfindlichen Sensors sein, doch ist er bei der bevorzugten Ausführungsform ein kapazitiver Aluminiumoxidsensor. Aluminiumoxidsensoren haben den in Fig. 2 gezeigten typischen Aufbau. Ein Aluminiumoxidsensor fühlt Feuchte durch Messung der Impedanzänderung zwisehen zwei elektrisch leitenden Metallschichten. Der Sensor 32 enthält ein elektrisch leitendes Aluminiumsubstrat 40 und eine (hygrometrische) Aluminiumoxidschicht 42 auf dem Substrat 40. Eine erste Elektrode 44 kontaktiert das Substrat 40. Eine zweite elektrisch leitende Schicht 46 kontaktiert die Oxidschicht 4 2 und bildet eine zweite Elektrode. Anschlußleiter 48 Jienen zur elektrischen Verbindung des Sensors mit der Signalverarbeitungsschaltung 50.

Ein Ausführungsbeispiel des Sensor- und Signalverarbeitungssystems 30 ist in Fig. 3 gezeigt. Das System 30 enthält den Feuchtesensor 32, eine Signalbehandlungsschaltung 52 für das Feuchtesignal, den Temperatursensor 34, eine Signalbehandlungsschaltung 54 für das Temperatursignal, eine Signalverarbeitungsschaltung 56 (z.B.

einen Mikroprozessor), einen löschbaren Speicher 58, einen optischen Koppler 60 und eine digitale Ausgabe 62. Der Feuchtesensor 32 ist mit der Signalbehandlungsschaltung 52 durch eine elektrische Leitung 64 verbunden. Die

³^ Signalbehandlungsschaltung 52 ist mit dem Mikroprozessor 56 durch eine elektrische Leitung 66 verbunden. Der Temperatursensor 34 ist mit der Signalbehandlungsschaltung 54 durch eine elektrische Leitung 68 verbunden. Die Signalbehandlungsschaltung 54 ist mit dem Mikroprozessor 56 durch eine elektrische Leitung 70 verbunden.

Der Mikroprozessor 56 ist mit dem löschbaren Speicher 58

durch elektrische Mehrfachleitungen 72 verbunden, die eine Zweirichtungs-Verbindung zwischen dem Mikroprozessor 56 und dem löschbaren Speicher 58 herstellen. Der Mikroprozessor 56 ist mit dem optischen Koppler 60 durch zwei elektrische Leitungen 74 und 76 verbunden. Die Leitung 76 ergibt eine Eingabe in den Mikroprozessor 56, und die Leitung 76 ergibt eine Ausgabe zu dem optischen Koppler 60. Der Mikroprozessor 56 ist ferner mit der Ausgabe 62 durch eine elektrische Leitung 78 verbunden.

Die Sonde 10 kann mit dem Überwachungssystem 80 durch eine einzige Datenübertragungsleitung 90 verbunden sein. Das Überwachungssystem 80 kann eine Anzeige 82 und eine Eingabe-Tastatur 84 haben. Die Datenübertragungsleitung 90 dient gleichzeitig als Eingabeleitung 86 und als Ausgabeleitung 88.

Eine mehr ins einzelne gehende Ausbildung des Sensor- und Signalverarbeitungssystems 30' ist in Fig. 4 gezeigt.

in Fig. 4 werden zur Bezeichnung von Bestandteilen, die mit denjenigen von Fig. 3 identisch sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Signalbehandlungsschaltung 52 für das Feuchtesignal enthält einen Oszillator 100 mit einem Eingang 102 und einem Ausgang 104. Der

²^ Eingang 102 ist durch die Leitung 64 mit dem Feuchtesensor 32 verbunden. Der Feuchtesensor 32 erzeugt eine Spannung, die in Beziehung zur Feuchte steht. In Abhängigkeit von dieser Spannung erzeugt der Oszillator 100 eine Folge von elektrischen Impulsen (rechteckförmig),

deren Frequenz sich in Abhängigkeit von der Feuchte ändert. Der Oszillator 100 kann ein herkömmlicher Oszillator sein; bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein von der National Semiconductor Corporation hergestellter Doppel-Taktgeber des Typs LM556 verwendet.

Die Signalbehandlungsschaltung 54 für das Temperatursignal enthält einen Spannungs/Frequenz-Wandler 110 mit

« -AS-

einem Eingang 112 und einem Ausgang 114. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform des Sensor- und Signalverarbeitungssystems 30 ist der Eingang 112 des Spannungs/ Frequenz-Wandlers 110 durch die Leitung 68 mit dem Temperatursensor 34 verbunden. Der Temperatursensor 34 erzeugt eine temperaturabhängige Gleichspannung. Der Spannungs/Frequenz-Wandler 110 wandelt die vom Temperatursensor 34 erzeugte Gleichspannung in eine Folge von elektrischen Rechteckimpulsen um, deren Frequenz sich in Abhängigkeit von der Gleichspannung ändert. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Temperatursensor 34 ein von der National Semiconductor Corporation hergestellter Temperatursensor des Typs LM335. Der Temperatursensor 34 enthält eine (nicht gezeigte) Zenerdiode als Sensorelement. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Spannungs/Frequenz-Wandler ein von der National Semiconductor Corporation hergestellter Wandler des Typs LM331.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform des Sensor- und Signalverarbeitungssystems 30 sind die Ausgänge 104 und 114 des Oszillators 100 bzw. des Spannungs/Frequenz-Wandlers 110 direkt über die Leitungen 66 bzw. 70 mit

dem Mikroprozessor 56 verbunden.
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Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform des Sensor- und Signalverarbeitungssystems 30' enthält einen Drucksensor 36. Der Drucksensor 36 kann irgendein herkömmliches Drucksensorelement sein, beispielsweise in Brückenschal-

tung. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind der Temperatursensor 34 und der Drucksensor 36 mit dem Spannungs/Frequenz-Wandler 110 über eine Signalwählanordnung 12Q verbunden. Die Signalwählanordnung 120 ist ein Multiplexer 122 mit einem ersten Eingang 124 und einem zweiten Ein-

gang 126. Der Multiplexer 122 hat ferner einen Ausgang 128 und einen Wähleingang 130. Der erste Eingang 124 ist über die Leitung 68 mit dem Temperatursensor 34 ver-

bundon. Dor zweite Eingang 126 ist mit dem Drucksensor über eine elektrische Leitung 132 verbunden. Der Ausgang 128 des Multiplexers 122 ist mit dem Eingang 112 des Spannungs/Frequenz-Wandlers 110 durch eine elektrische Leitung 134 verbunden. Der Wähleingang 130 des Multiplexers 122 ist mit einem Wählausgang 135 des Mikroprozessors 56 über eine elektrische Leitung 136 verbunden. Der Multiplexer 122 überträgt wahlweise entweder das vom Temperatursensor 34 kommende temperaturabhängige Signal oder das vom Drucksensor 36 kommende druckabhängige Signal zu dem Spannungs/Frequenz-Wandler 110 in Abhängigkeit von einem Wählsignal, das vom Mikroprozessor 56 erzeugt wird und am Wähleingang 130 besteht. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Multiplexer 122 ein von der National Semiconductor Corporation hergestellter Analogdaten-Multiplexer des Typs CD4053.

In dem Sensor- und Signalverarbeitungssystem 30' sind der Oszillator 100 und der Spannungs/Frequenz-Wandler 110 mit dem Mikroprozessor 56 durch eine zweite Signalwählanordnung 140 verbunden. Die zweite Signalwählanordnung 140 ist ein Multiplexer 142. Der Multiplexer 142 hat einen ersten Eingang 144, einen zweiten Eingang 146, einen Ausgang 148 und einen Wähleingang 150. Der erste Eingang 144 ist mit dem Ausgang 104 des Oszillators 100 durch die Leitung 6 6 verbunden. Der zweite Eingang 146 des Multiplexers 142 ist mit dem Ausgang 114 des Spannungs/Frequenz-Wandlers 110 durch die Leitung 70 verbunden. Der Ausgang 148 des Multiplexers 142 ist mit einem Eingang 152 des Mikroprozessors 56 durch eine elektrische Leitung 154 verbunden. Der Wähleingang 150 des Multiplexers 142 ist mit einem Wählausgang 156 des Mikroprozessors 56 durch eine elektrische Leitung 158 verbunden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Multiplexer 122 und 142 Teile eines einzigen Analogdatenmultiplexers.

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Der Multiplexer 142 überträgt wahlweise das vom Fouchtesensor 32 stammende und vom Oszillator 100 behandelte feuchteabhängige Signal bzw. das vom Temperatursensor stammende, vom Multiplexer 122 und vom Spannungs/Frequenz-Wandler 110 behandelte temperaturabhängige Signal bzw. das vom Drucksensor 3 6 stammende, vom Multiplexer 122 und vom Spannungs/Frequenz-Wandler 110 behandelte druckabhängige Signal zum Mikroprozessor 56 in Abhängigkeit von Wählsignalen, die vom Mikroprozessor 56 zu den Wähleingängen 130 und 150 der Multiplexer 122 bzw. 142 geliefert werden.

Es können verschiedene Mikroprozessoren in den Systemen 30 und 30' verwendet werden, doch ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Mikroprozessor 56 ein von der Intel Corporation hergestellter Mikroprozessor 8748, dor einen Speicher zur Speicherung des Arbeitsprogramms hat. Zusätzlich zu den Wählausgängen 135 und 156 und zu einem Signaleingang 152 hat der Mikroprozessor 56 auch einen seriellen Datenausgang 160, einen seriellen Dateneingang 162, eine Speicheradressenleitung 164, Daten-Eingabe/ Ausgabe-Leitungen 166, 168 und einen digitalen Ausgang 170. Der serielle Datenausgang 160 ist mit dem optischen Koppler 60 durch die Leitung 74 verbunden. Der serielle Dateneingang 162 ist mit dem optischen Koppler durch die Leitung 76 verbunden. Der löschbare Speicher 58 ist mit dem Mikroprozessor 56 durch die Speicheradressenleitung 164 und die Datenleitungen 166 und 168 verbunden. Die Daten-Eingabe/Ausgabe-Leitungen 166 und 168 sind mit dem

löschbaren Speicher 58 über einen Puffer 172 verbunden. Der digitale Ausgang 170 des Mikroprozessors 56 ist mit der Ausgabe 62 durch die Leitung 78 verbunden. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist das Sensor- und Signalverarbeitungssystem 30 mit dem äußeren überwachungssystem 80 über die einzige Datenübertragungsleitung 90 verbunden.

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Bei dor bevorzugten Ausführungsform ist der löschbare Speicher 58 ein von der XlCOR Corporation hergestellter elektronisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) des Typs 2816, der Puffer 172 ist ein von der

b Texas Instruments Corporation hergestellter IC des Typs SN74LS373, und der optische Koppler 60 enthält von der General Instruments Corporation hergestellte Optokoppler und Treiber des Typs 4N37.

Das System 30' wird mit einer internen Stromversorgung 180 betrieben. Die Stromversorgung 180 ist mit dem Überwachungssystem 80 durch elektrische Leitungen 182 verbunden. Zu den Leitungen 182 kann auch die von der Sonde 10 kommende Datenverbindung 22 gehören. Die Stromversorgung 180 erzeugt eine Referenzspannung V^-^ und eine Gleichspannung v\-, ; diese Spannungen werden den verschiedenen Schaltungsbestandteilen des Systems 30 bzw. 30' zugeführt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Ausgang 62 des Mikroprozessors 56 mit einer sichtbaren oder hörbaren Anzeige verbunden sein, um anzuzeigen, wenn die Feuchte, die Temperatur oder der Druck vorbestimmte Grenzwerte erreichen. Der Alarm kann als eingebauter Bestandteil der Sonde 10 vorgesehen sein. 25

Der löschbare Speicher 58 dient dazu, in dem System 30 oder 30' Informationen, aie für den Feuchtesensor 3 2 und die jeweilige Anwendung der Sonde spezifisch sind, zu programmieren und zu speichern. Für jede Sonde wird der

Aluminiumoxidsensor 32 verschieden sein. Der löschbare Speicher 56 bietet somit dem Benutzer die Möglichkeit, die Sonde 10 mit Informationen zu programmieren, die für den jeweiligen Feuchtesensor 32 eigentümlich sind. Der löschbare Speicher 56 bietet ferner dem Benutzer die Möglichkeit, vorübergehende Informationen zu speichern, wie Identifizierungs-Codegruppen und Alarm-Grenzwerte.

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«ΜΙ Der Betrieb des Systems 3 0 bzw. 30' kann am besten anhand des in Fig. 4 gezeigten Systems 30' und des Flußdiagramms von Fig. 5 erläutert werden. Der Mikroprozessor 56 hat in seinem Speicher ein Systemprogramm zur Ausführung der im Flußdiagramm von Fig. 5 gezeigten Verfahrensschritte. Der programmierbare löschbare Speicher 58 bietet dem Benutzer die Möglichkeit, den Mikroprozessor 56 mit Daten und Informationen zu programmieren, die für den Feuchtesensor 32 und die jeweilige Anwendung der Sonde 10 eigentümlich sind.

Der erste Schritt 200 des vom Mikroprozessor 56 ausgeführten Programms ist das Einschalten der Stromversorgung. Nachdem der Mikroprozessor 56 den Schritt 200 des Ein-Schaltens der Stromversorgung durchgeführt und beendet hat, geht er zum Schritt 202 weiter. Im Schritt ?02 liest der Mikroprozessor das behandlete feuchteabhängige Signal, das behandelte temperaturabhängige Signal und das behandelte durckabhängige Signal. Der Mikroprozessor 56 führt diesen Schritt dadurch aus, daß er die Signale an den Wählausgängen 135 und 156 so einstellt, daß einzeln der Reihe nach die behandelten Signale vom Feuchtesensor 32, vom Temperatursensor 34 und vom Drucksensor 36 zum Mikroprozessoreingang 152 übertragen werden. Durch den Zustand an den Wählausgängen 135 und 156 weiß der Mikroprozessor 56, welches behandelte Signal jeweils am Signaleingang 152 vorhanden ist. Das am Signaleingang 152 vorhandene Signal besteht aus einer Folge von elektrischen Impulsen (im allgemeinen Rechteckimpulsen),

deren Frequenz in Beziehung zu der erfaßten Größe steht. Der Mikroprozessor geht dann zum Schritt 204 weiter.

Im Schritt 204 wandelt der Mikroprozessor 56 das die erfaßte Größe darstellende Analogsignal in einen Digital-

wert um, der den Temperaturwert in Grad Celsius und den Druckwert in Pascal angibt. Bekanntlich sind dies die genormten Einheiten für die Angabe von Temperatur und

Druck. Sobald der Mikroprozessor 56 das temperaturabhängige Analogsignal und das druckabhängige Analogsignal in Digitalwerte umgewandelt hat, geht es zur Ausführung des Schritts 206 weiter.

Im Schritt 206 wird der das feuchteabhängige Signal darstellende Digitalwert durch einen im Speicher des Mikroprozessors 56 programmierten Algorithmus linearisiert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel stellt das feuchteabhängige Signal den Taupunkt dar. Ein weiterer Algorithmus wandelt den Taupunkt in ein zweites feuchteabhängiges Signal um, das bei dem Ausführungsbeispiel den Dampfdruck darstellt. Der Temperaturwert kann zur Bestimmung eines weiteren Feuchtewerts als Funktion der Temperatur verwendet werden. Der Druckwert kann ebenfalls zur Bestimmung eines weiteren Feuchtewerts als Funktion des Drucks verwendet werden. Somit wandelt der Mikroprozessor 56 die Analogsignale in Digitalwerte um, welche die erfaßte Feuchte, die erfaßte Temperatur und den erfaßten Druck darstellen, und der Linearisierungs-Algorithmus wird dazu verwendet, das feuchteabhängige Signal zu linearisieren und ein digitales feuchteabhängiges Signal zu liefern.

Der Linearisierungs-Algorithmus für das Feuchtesignal verwendet eine Anzahl von Datenpunkten, die für Taupunktmessungen repräsentativ sind, die mit einem ausgewählten Feuchtesensor bei verschiedenen Feuchteniveaus empirisch ermittelt worden sind. Beispielsweise werden fünf der-

³^ artige Datenpunkte verwendet, jedoch würde die Verwendung von mehr als fünf Datenpunkten einen höheren Grad der Genauigkeit für den linearisierten Wert ergeben. Die Datenpunkte sind im Speicher des Mikroprozessors 56 gespeichert. ,

Die Steigungs-Gleichung einer Geraden ist im Speicher des Mikroprozessors 56 gespeichert. Diese Gleichung

+ο-Ι lautet Y = MX + B, wobei B der Wert der Y-Koordinate ist, wenn die X-Koordinate gleich 0 ist, während M die Steigung der Geraden ist. Der Mikroprozessor berechnet Geraden-Segmente zwischen benachbarten Datenpunkten. Die Variable X ist der vom Feuchtesensor 32 abgelesene Wert. Der Mikroprozessor bestimmt die beiden Datenpunkte, zwischen die der Feuchtewert X fällt, und ermittelt die zugehörige Steigungs-Gerade zur Berechnung des Taupunktwerts. Der Mikroprozessor interpoliert zwischen den beiden Datenpunkten durch Lösung der Steigungs-Geraden für den Y-Wert (Taupunkt), wobei als X-Wert der vom Feuchtesensor 32 abgelesene Wert verwendet wird.

Nachdem der Feuchtewert linearisiert worden ist, kann der linearisierte Feuchtewert (Taupunkt) vom Mikroprozessor zur Berechnung verschiedener anderer feuchteabhängiger Werte verwendet werden. Beispielsweise ist es dem Fachmann bekannt, daß der Dampfdruck in logarithmischer Beziehung zum Taupunkt steht. Daher können die äquivalenten Dampfdruckwerte für gegebene Taupunktwerte in Form einer Tabelle im Speicher des Mikroprozessors 56 vorgespeichert sein. Der berechnete Taupunkt kann dann vom Mikroprozessor als Index für den Zugriff zur Dampfdrucktabelle verwendet werden, damit man zu einem Dampfdruckwert gelangt, der dem berechneten Taupunktwert zugeordnet ist.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der gemessene Druckwert vom Mikroprozessor 56 in Verbindung mit dem in der zuvor beschriebenen Weise erhaltenen Dampfdruckwert verwendet werden, damit die volumetrische Wasserkonzentration in der untersuchten Umgebung erhalten wird. Das Wasservolumen in ppm wird vom Mikroprozessor dadurch berechnet, daß der Dampfdruckwert durch den gemessenen

or- --

Druckwert dividiert und der Quotient mit 10 multipliziert wird.

Hoi einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Wasserkonzentration in einer Kohlenwasserstofflösung, bezogen auf das Gewicht, vom Mikroprozessor 56 durch Verwendung einer im Speicher gespeicherten Konstanten (K), des in der zuvor beschriebenen Weise ermittelten Dampfdruckwerts und des gemessenen Temperaturwerts berechnet werden. Die Konstante K ist die Löslichkeit von Wasser in der besonderen untersuchten Kohlenwasserstofflösung. Die Konstante K ist im Speicher des Mikroprozessors 56 vorgespeichert. Zusätzlich ist der Sättigungsdampfdruck bei verschiedenen Temperaturen in einer Tabelle im Speicher des Mikroprozessors 56 vorgespeichert.

Der Mikroprozessor 56 verwendet den gemessenen Temperaturwert als Index für den Zugriff zu der Sättigungsdampfdrucktabelle, um einen Wert für den Sättigungsdampfdruck für die Kohlenwasserstofflösung auszuwählen, der in Beziehung zu der Temperatur der Lösung steht. Der Mikroprozessor 5 6 dividiert dann den Dampfdruckwert durch den gewählten Sättigungsdampfdruckwert und multipliziert den Quotient mit der Konstanten K. Das Ergebnis ist die Wasserkonzentration in der untersuchten Kohlenwasserstoff lösung, bezogen auf das Gewicht.

Die soeben beschriebenen Algorithmen sind Beispiele für die feuchteabhängigen Parameter, die mit der erfindungsgemäßen Sonde ermittelt werden können. Die feuchteabhängigen Parameter, die mit der Erfindung ermittelt werden können, sind jedoch nicht auf diejenigen der zuvor erörterten Algorithmen beschränkt.

Im Schritt 208 werden die digitalen feuchteabhängigen Werte, der digitale Temperaturwert und der digitale Druckwert im Speicher des Mikroprozessors gespeichert. Im Schritt 210 vergleicht der Mikroprozessor die gespeicherten digitalen Werte mit Alarm-Grenzwerten, die zuvor vom Benutzer in dem löschbaren Speicher 58 programmiert

worden sind.

Im Schritt 212 bestimmt der Mikroprozessor auf der Grundlage des im Schritt 210 durchgeführten Vergleichs, ob der Alarm auszulösen ist. Wenn kein Alarm auszulösen ist, geht der Mikroprozessor 56 zum Schritt 214 weiter. Wenn der Alarm auszulösen ist, stellt der Mikroprozessor 56 seinen digitalen Ausgang 170 im Schritt 216 ein. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, wird die Ausgabe 62 (die den Alarmausgang darstellt) auf den digitalen Ausgang 170 des Mikroprozessors 56 hin aktiviert.

Nach der Ausführung des Schritts 216 oder nach der Feststellung, daß kein Alarm auszulösen ist, führt der Mikroprozessor 56 den Schritt 214 aus. Im Schritt 214 wird der serielle Dateneingang 162 vom Mikroprozessor überwacht. Der Mikroprozessor 56 empfängt Adressencodegruppen von dem Überwachungssystem 80 und geht zum

Schritt 218 weiter.
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Im Schritt 218 prüft der Mikroprozessor 56 jeden Adreßcode, den er an seinem seriellen Dateneingang 162 empfängt, um festzustellen, ob der Adreßcode derjenige des betreffenden Mikroprozessors 56 ist. Wenn der Adreßcode nicht derjenige des betreffenden Mikroprozessors ist, geht der Mikroprozessor 56 zum Schritt 202 zurück, und er beginnt die erneute Durchführung der Programmfolge. Wenn der Adreßcode derjenige des Mikroprozessors 56 ist, führt er dann den Schritt 219 durch. Im Schritt

219 überträgt der Mikroprozessor 56 die für die abgetasteten Größen gespeicherten Werte zum überwachungssystem 80. Nach der Durchführung des Schritts 218 kehrt der Mikroprozessor 56 zum Schritt 202 zurück, und er beginnt die erneute Durchführung der Programmfolge.

Das vom Mikroprozessor 56 über den seriellen Datenausgang 160 übertragene Signal ist eine serielle Kette von binären

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digitalen Datensignalen. Die serielle Kette von Datensignalen kann ein erstes digitales feuchteabhängiges Signal (Taupunkt),ein zweites digitales feuchteabhängiges Signal (Dampfdruck), ein digitales temperaturabhängiges Signal und ein digitales druckabhängiges Signal enthalten. Somit kann eine Vielzahl von größenabhängigen Signalen über eine einzige Datenleitung 90 zu dem Überwachungssystem 80 übertragen werden.

Natürlich können weitere Sensoren für physikalische Größen in der Sonde 10 enthalten sein. Beispielsweise kann, wie zuvor beschrieben wurde, zusätzlich zu dem Feuchtesensor und dem Temperatursensor ein Drucksensor in der Sonde 10 enthalten sein. Die Sonde 10 und das System 30' sind jedoch nicht auf Feuchte-, Temperatur- und Drucksensoren beschränkt.

Ein Vorteil der Sonde 10, die die Sensoren 32, 3 4 und 36 sowie die Signalverarbeitungsschaltung 50 als integrale Bestandteile enthält und eine serielle Datenausgabe in Form von die gemessenen Größen darstellenden digitalen Signalen liefert, besteht darin, daß mehrere Sonden 10 mit einem einzigen Uberwachungssystem 80 verbunden werden können. Ein solches Mehrfachsondensystem ist in Fig. 6 gezeigt. Mehrere Sonden 10 sind mit dem Überwachungssystem 80 über eine gemeinsame Datenübertragungsleitung 220 verbunden. Wie gezeigt, ist die Datenübertragungsleitung 220 allen Sonden 10 gemeinsam. Jede Sonde 10 enthält ihren eigenen Mikroprozessor 56 (s. Fig. 4), der seinen seriellen Dateneingang 162 (s. Fig. 4) dauernd überwacht, um festzustellen, wenn sein Adreßcode empfangen wird. Der Mikroprozessor 56 in jeder Sonde 10 überträgt nur dann ein digitales Signal über die gemeinsame Übertragungsleitung 220 zum Überwachungssystem 80,

wenn er seinen Adreßcode empfängt. Jede Sonde 10 hat einen anderen Adreßcode, so daß Daten von den Sonden zum Uberwachungssystem 80 in einer vom Überwachungssystem 80

kontrollierten Folge übertragen werden.

Natürlich können im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen an der Sonde 10 vorgenommen werden. Insbesondere können andere Signalbehandlungsanordnungen und Signalwählanordnungen verwendet werden. Ferner können andere Sensoren für physikalische Größen verwendet oder zu den zuvor beschriebenen Feuchte-, Temperatur- und Drucksensoren hinzugefügt werden. 10

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Claims

PRINZ, LEISER, BUNKE :& PARTNER

P.'itont.inwnlU· EumpiNin Patent Attorneys

München Stuttgart

27. März 1984

Ondyne Ine.

1090A Shary Circle

Concord, California 94518 /V.St.A.

Unser Zeichen: O 394

Patentansprüche

. 1. Hygrometersonde mit einem Gehäuse und mit einem im Gehäuse angeordneten Feuchtesensor, der ein in nichtlinearer Beziehung zur Feuchte stehendes Signal liefert, gekennzeichnet durch eine im Gehäuse angeordnete Signalverarbeitungsanordnung zur Linearisierung des feuchteabhängigen Signals und zur Lieferung eines einen Feuchtemeßwert anzeigenden digitalen Ausgangssignals.
2. Hygrometersonde mit einem Gehäuse und mit einem im Gehäuse angeordneten ersten, auf Feuchte ansprechenden Sensor, der ein feuchteabhängiges erstes Signal liefert, gekennzeichnet durch einen zweiten, auf eine zweite physikalische Größe ansprechenden Sensor, der ein zweites Signal liefert, und durch eine Signalverarbeitungsanordnung zur Linearisierung des ersten Signals und zur Lieferung von einen Feuchtemeßwert und einen Meßwert der zweiten physikalischen Größe anzeigenden digitalen AusgangsSignalen.

Lei/bl
3. Hygrometersonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite physikalische Größe die Temperatur ist.
4. Hygrometersonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite physikalische Größe der Druck ist.
5. Hygrometersonde nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Übertragung der digitalen Ausgangssignale über eine Datensignalübertragungsleitung zu einem zentralen Überwachungssystem.
6. Sonde zum Messen von physikalischen Größen mit einem Gehäuse und mit einem im Gehäuse angeordneten ersten Sensor, der auf eine erste Größe anspricht und ein erstes Signal liefert, das in Beziehung zu der ersten Größe steht, gekennzeichnet durch einen im Gehäuse angeordneten zweiten Sensor, der auf eine zweite Größe anspricht und ein zweites Signal liefert, das in Beziehung zu der zweiten Größe steht, und durch eine im Gehäuse angeordnete Signalverarbeitungsanordnung, die das erste Signal in Abhängigkeit vom zweiten Signal verarbeitet und ein drittes Signal liefert, das in Beziehung zu der ersten Größe steht.
7. Hygrometersonde mit einem Gehäuse und mit einem im Gehäuse angeordneten ersten, auf Feuchte ansprechenden Sensor, der ein erstes feuchteabhängiges Signal liefert, gekennzeichnet durch einen im Gehäuse angeordneten zwei-

³^ ten, auf Temperatur ansprechenden Sensor, der ein temperaturabhängiges Signal liefert, und durch eine im Gehäuse angeordnete Signalverarbeitungsanordnung zur Verarbeitung des ersten feuchteabhängigen Signals als Funktion des temperaturabhängigen Signals und zur Lieferung eines zweiten feuchteabhängigen Signals.
8. Hygromtersonde nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch

eine erste Signalbehandlungsanordnung, die den ersten Sensor mit der Signalverarboitungsanordnung verbindet, und durch eine zweite Signalbehandlungsanordnung, die den zweiten Sensor mit der Signalverarbeitungsanordnuny verbindet.
9. Hygrometersonde nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Signalbehandlungsanordnung eine Einrichtung enthält, die eine Folge von elektrischen Impulsen liefert, deren Frequenz in Beziehung zur Feuchte steht, und daß die zweite Signalbehandlungsanordnung eine Einrichtung zur Umwandlung einer Spannung in eine Folge von elektrischen Impulsen enthält, deren Frequenz in Beziehung zur Temperatur steht.
10. Hygrometersonde nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen im Gehäuse angeordneten dritten, auf Druck ansprechenden Sensor, der ein druckabhängiges Signal liefert, und durch eine Signalwählanordnung, die den zweiten Sensor und den dritten Sensor mit der zweiten Signalbehandlungsanordnung verbindet, wobei die Signalverarbeitungsanordnung weiterhin das erste feuchteabhängige Signal als Funktion des druckabhängigen Signals verarbeitet und

ein drittes feuchteabhängiges Signal liefert. 25
11. Hygrometersonde nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Signalwählanordnung, die die erste Signalbehandlungsanordnung und die zweite Signalbehandlungsanordnung mit der Signalverarbeitungsanordnung, verbindet.
12. Hygrometersonde nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste feuchteabhängige Signal ein Taupunkt ist.
13. Hygromtersonde nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsanordnung weiterhin das temperaturabhängige Signal und das druckabhängige Signal

verarbeitet und digitale Signale liefert, die die Temperatur bzw. den Druck angeben.
14. Hygromtersonde nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch B Einrichtungen zur Übertragung des zweiten feuchteabhängigen Signals und des dritten feuchteabhängigen Signals zu einem zentralen Uberwachungssystem über eine einzige Datenübertragungsleitung.
15. Hygromtersonde nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen Kopf und einen hohlen Stiel aufweist, daß der erste Sensor und der zweite Sensor im Stiel untergebracht sind, und daß die Signalverarbeitungsanordnung im Kopf untergebracht ist.
16. Hygrometersonde nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß im Stiel ein dritter, auf Druck ansprechender Sensor untergebracht ist, der ein druckabhängiges Signal liefert, daß eine Einrichtung zur Verbindung des dritten Sensors mit der Signalverarbeitungsanordnung vorgesehen ist, und daß die Signalverarbeitungsanordnung das erste feuchteabhängige Signal als Funktion des druckabhängigen Signals verarbeitet, um ein drittes feuchteabhängiges Signal zu liefern.
17. Gerät zur Messung von wenigstens zwei physikalischen Größen-, gekennzeichnet durch einen Sensor für die erste Größe, der ein erstes Signal erzeugt, einen Sensor für

die zweite Größe, der ein zweites Signal erzeugt, und durch eine Signalverarbeitungsanordnung zur Linearisierung des ersten Signals und zur Umwandlung des ersten Signals und des zweiten Signals in digitale Ausgangssignale, die die erste Größe bzw. die zweite Größe anzeigen.
18. Gerät zur Messung von Feuchte und Temperatur und zur Linearisierung des Feuchtemeßwerts, gekennzeichnet durch

eine Sonde mit einem Sondenkopf, der eine erste Kammer bildet, und mit einem Sondenstiel, der eine zweite Kammer bildet, einen in der zweiten Kammer angeordneten Feuchtesensor, der ein feuchteabhängiges Signal liefert, einen in der zweiten Kammer angeordneten Temperatursensor, der ein temperaturabhängiges Signal liefert, eine in der ersten Kammer angeordnete Einrichtung zur Linearisierung des temperatürabhängigen Signals und zur Umwandlung des temperaturabhängigen Signals und des feuchteabhängigen Signals in digitale Signale, die die Feuchte bzw. die Temperatur angeben, und durch Einrichtungen zur Übertragung der digitalen Signale von der Sonde zu einem Überwachungssystem über eine einzige Datenübertragungsleitung.
19. Gerät nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch programmierbare Einrichtungen in der ersten Kammer zur Jpeicherung von in Beziehung zum Feuchtesensor stehenden Informationen und durch zwei Richtungs-Einrichtungen zur Verbindung der programmierbaren Einrichtungen mit der Signalverarbeitungsanordnung.