DE3411306C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hygrometersonde nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Die gebräuchlichsten Hygrometersonden verwenden Feuchtesen­ soren, die ein feuchteempfindliches Material enthalten, das Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnimmt und so beschaffen ist, daß sich eine elektrische Kenngröße, meist der Widerstand oder die Kapazität, in Abhängigkeit von der aufgenommenen Feuchtigkeit ändert. Diese Sensoren enthalten im typischen Fall eine Schicht aus dem feuchteempfindlichen Material, die in einer Sandwich-Struktur zwischen zwei elektrisch leiten­ den Metallschichten angeordnet ist. Die obere Metallschicht ist dünn genug, um den Durchgang von Feuchtigkeit zu der feuchteempfindlichen Schicht zu erlauben, wodurch Wider­ stands- oder Kapazitätsänderungen zwischen den beiden elek­ trisch leitenden Metallschichten verursacht werden. Als feuchteempfindliches Material wird meist Aluminiumoxid ver­ wendet, wobei dann die beiden elektrisch leitenden Metall­ schichten gewöhnlich aus Aluminium bestehen. Hygrometerson­ den mit Aluminiumoxid-Feuchtesensoren dieser Art sind bei­ spielsweise aus den US-Patentschriften 30 75 385, 31 21 853, 35 23 244, 35 39 917 und 39 87 676 bekannt. Eine mit dem Feuchtesensor verbundene elektronische Schaltung liefert ein analoges Sensorsignal, das den Wert der feuchteabhängigen elektrischen Größe und damit die zu messende Feuchte anzeigt.

Bei Hygrometersonden dieser Art, insbesondere auch bei den­ jenigen mit Aluminiumoxid-Feuchtesensoren, besteht kein li­ nearer Zusammenhang zwischen der feuchteabhängigen elektri­ schen Größe und der zu messenden Feuchte. Demzufolge liefern diese Hygrometersonden ein nichtlineares analoges Sensor­ signal. Es ist bekannt, das nichtlineare feuchteabhängige Sensorsignal durch eine Signalverarbeitungsanordnung zu linearisieren. Eine Feuchtemeßvorrichtung mit einer solchen Linearisierungsschaltung ist beispielsweise in der DE-OS 16 48 873 beschrieben.

In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, das feuchte­ abhängige Sensorsignal in Abhängigkeit von weiteren am Meß­ ort herrschenden physikalischen Größen, wie Temperatur oder Druck, zu verarbeiten. Die zur Erfassung dieser physikali­ schen Größen verwendeten Sonden liefern gleichfalls analoge Sensorsignale, die bisher zusätzlich zu dem analogen feuch­ teabhängigen Sensorsignal über getrennte Leitungen zu der Auswertestelle, beispielsweise einem Überwachungssystem, übertragen wurden. Die Übertragung mehrerer Analogsignale über getrennte Leitungen ist aufwendig und störanfällig.

In der Zeitschrift "Feinwerktechnik & Meßtechnik", Bd. 6, 1978, Seiten 300 bis 303, ist eine Anordnung zur psychome­ trischen Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit und des Taupunktes beschrieben, die zwei Temperatursensoren enthält, die in dem zu messenden Luftstrom angeordnet sind, wobei der eine Temperatursensor trocken ist, während der andere Tempe­ ratursensor angefeuchtet wird. Aus den von diesen Tempera­ tursensoren gelieferten Sensorsignalen können Luftfeuchtig­ keit und Taupunkt berechnet werden. Zu diesem Zweck werden die analogen Sensorsignale in digitale Signale umgewandelt und einem Mikroprozessor zugeführt, der die Berechnung durchführt. Eine direkte Feuchtemessung ist mit dieser An­ ordnung nicht möglich, und die Messung weiterer physikali­ scher Größen ist nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer Hygrometersonde, die alle auszuwertenden physikalischen Größen erfaßt und eine einfache und störsichere Übertragung der diesen physikalischen Größen entsprechenden Sensorsignale ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die nach der Erfindung ausgebildete Hygrometersonde stellt eine in sich abgeschlossene Einheit dar, die außer der Feuch­ te auch die weiteren auszuwertenden physikalischen Größen erfaßt, jedoch nur über eine einzige Datenübertragungslei­ tung mit dem Überwachungssystem verbunden ist. Über diese einzige Datenübertragungsleitung werden sowohl das lineari­ sierte feuchteabhängige Sensorsignal als auch die übrigen Sensorsignale als digitale Signale übertragen. Die digitale Übertragung ist sehr störsicher und ermöglicht die Übertra­ gung der verschiedenen Sensorsignale über die gleiche Lei­ tung ohne gegenseitige Beeinträchtigung. Die für die Linea­ risierung und Digitalisierung erforderliche Signalverarbei­ tungsanordnung läßt sich durch Verwendung von mikroelektro­ nischen Schaltungen mit den Sensoren zu einer sehr kompakten Einheit zusammenfassen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung zeigt

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

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines in der Hygrometer­ sonden von Fig. 1 verwendeten Aluminiumoxid-Feuch­ tesensors,

Fig. 3 das Blockschema einer Ausführungsform eines Sensor- und Signalverarbeitungsystems, das in der Hygrome­ tersonde von Fig. 1 enthalten ist,

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

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

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Mehrfachsondensy­ stems, bei dem mehrere gemäß der Erfindung ausge­ führte Hygrometersonden verwendet werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Hygrometersonde 10 ist für die Mes­ sung von Feuchte, Temperatur und Druck ausgebildet, doch könn­ te eine Hygrometersonde dieser Art bei entsprechender Abände­ rung auch zur Messung anderer oder zusätzlicher physikalischer 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 Da­ tenverbindung 22 mit einem äußeren Überwachungssystem elektrisch verbunden sein. Im Sondenkopf 14 und im Stiel 20 der Sonde 10 ist ein Sensor- und Signalverarbeitungs­ system 30 untergebracht, das auf physikalische Größen oder Parameter anspricht und ein linearisiertes digi­ tales Ausgangssignal liefert. Die Sonde 10 ist eine unabhängige, in sich geschlossene Einheit mit den inne­ wohnenden Fähigkeiten, auf physikalische Größen anzu­ sprechen, 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 Datenübertra­ gungsverbindung 22 zu einer übergeordneten Überwachungs­ einheit 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 Signalverarbei­ tungssystem 30′ auch einen Drucksensor 36. Die Sensoren 32, 34 und 36 sind in dem Sondenstiel 20 untergebracht, und die Signalverarbeitungsschaltung 50 ist in dem Son­ denkopf 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 Signal­ verarbeitungssystem 30 enthält den Feuchtesensor 32 und den Temperatursensor 34. Das in Fig. 4 dargestellte 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 Aluminium­ oxidsensor. Aluminiumoxidsensoren haben den in Fig. 2 gezeigten typischen Aufbau. Ein Aluminiumoxidsensor fühlt Feuchte durch Messung der Impedanzänderung zwi­ schen zwei elektrisch leitenden Metallschichten. Der Sensor 32 enthält ein elektrisch leitendes Aluminium­ substrat 40 und eine (hygrometrische) Aluminiumoxid­ schicht 42 auf dem Substrat 40. Eine erste Elektrode 44 kontaktiert das Substrat 40. Eine zweite elektrisch lei­ tende Schicht 46 kontaktiert die Oxidschicht 42 und bildet eine zweite Elektrode. Anschlußleiter 48 dienen zur elektrischen Verbindung des Sensors mit der Signal­ verarbeitungsschaltung 50.

Ein Ausführungsbeispiel des Sensor- und Signalverarbei­ tungssystems 30 ist in Fig. 3 gezeigt. Das System 30 enthält den Feuchtesensor 32, eine Signalbehandlungs­ schaltung 52 für das Feuchtesignal, den Temperatursensor 34, eine Signalbehandlungsschaltung 54 für das Tempera­ tursignal, 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 Signalbehandlungsschaltung 52 ist mit dem Mikroprozessor 56 durch eine elektrische Leitung 66 verbunden. Der Tem­ peratursensor 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 Mikro­ prozessor 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 Aus­ gabeleitung 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 glei­ chen Bezugszeichen verwendet. Die Signalbehandlungsschal­ tung 52 für das Feuchtesignal enthält einen Oszillator 100 mit einem Eingang 102 und einem Ausgang 104. Der Eingang 102 ist durch die Leitung 64 mit dem Feuchte­ sensor 32 verbunden. Der Feuchtesensor 32 erzeugt eine Spannung, die in Beziehung zur Feuchte steht. In Ab­ hängigkeit von dieser Spannung erzeugt der Oszillator 100 eine Folge von elektrischen Impulsen (rechteckförmig), deren Frequenz sich in Abhängigkeit von der Feuchte än­ dert. Der Oszillator 100 kann ein herkömmlicher Oszilla­ tor sein; bei der bevorzugten Ausführungsform wird ein von der National Semiconductor Corporation hergestellter Doppel-Taktgeber des Typs LM556 verwendet.

Die Signalbehandlungsschaltung 54 für das Temperatur­ signal enthält einen Spannungs/Frequenz-Wandler 110 mit einem Eingang 112 und einem Ausgang 114. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform des Sensor- und Signal­ verarbeitungssystems 30 ist der Eingang 112 des Spannungs/ Frequenz-Wandlers 110 durch die Leitung 68 mit dem Tem­ peratursensor 34 verbunden. Der Temperatursensor 34 er­ zeugt eine temperaturabhängige Gleichspannung. Der Spannungs/Frequenz-Wandler 110 wandelt die vom Tempera­ tursensor 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 herge­ stellter Temperatursensor des Typs LM335. Der Tempera­ tursensor 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.

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 Temperatur­ sensor 34 und der Drucksensor 36 mit dem Spannungs/Fre­ quenz-Wandler 110 über eine Signalwählanordnung 120 ver­ bunden. 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 bunden. Der zweite Eingang 126 ist mit dem Drucksensor 36 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 Multi­ plexers 122 ist mit einem Wählausgang 135 des Mikropro­ zessors 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 druckabhängi­ ge Signal zu dem Spannungs/Frequenz-Wandler 110 in Ab­ hängigkeit 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 Signal­ wählanordnung 140 verbunden. Die zweite Signalwählanord­ nung 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 66 verbunden. Der zweite Eingang 146 des Multiplexers 142 ist mit dem Ausgang 114 des Span­ nungs/Frequenz-Wandlers 110 durch die Leitung 70 verbun­ den. Der Ausgang 148 des Multiplexers 142 ist mit einem Eingang 152 des Mikroprozessors 56 durch eine elektri­ sche Leitung 154 verbunden. Der Wähleingang 150 des Multiplexers 142 ist mit einem Wählausgang 156 des Mikro­ prozessors 56 durch eine elektrische Leitung 158 verbun­ den.

Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Multiplexer 122 und 142 Teile eines einzigen Analogdatenmultiplexers. Der Multiplexer 142 überträgt wahlweise das vom Feuchte­ sensor 32 stammende und vom Oszillator 100 behandelte feuchteabhängige Signal bzw. das vom Temperatursensor 34 stammende, vom Multiplexer 122 und vom Spannungs/Frequenz- Wandler 110 behandelte temperaturabhängige Signal bzw. das vom Drucksensor 36 stammende, vom Multiplexer 122 und vom Spannungs/Frequenz-Wandler 110 behandelte druck­ abhängige Signal zum Mikroprozessor 56 in Abhängigkeit von Wählsignalen, die vom Mikroprozessor 56 zu den Wähl­ eingängen 130 und 150 der Multiplexer 122 bzw. 142 ge­ liefert 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, der einen Speicher zur Speicherung des Arbeitsprogramms hat. Zu­ sätzlich 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 Überwa­ chungssystem 80 über die einzige Datenübertragungsleitung 90 verbunden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der löschbare Speicher 58 ein von der XICOR Corporation hergestellter elektronisch löschbarer programmierbarer Festwertspeicher (EEPROM) des Typs 2816, der Puffer 172 ist ein von der 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 Über­ wachungssystem 80 durch elektrische Leitungen 182 verbun­ den. Zu den Leitungen 182 kann auch die von der Sonde 10 kommende Datenverbindung 22 gehören. Die Stromversorgung 180 erzeugt eine Referenzspannung V _REF und eine Gleich­ spannung V _CC ; diese Spannungen werden den verschiedenen Schaltungsbestandteilen des Systems 30 bzw. 30′ zugeführt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Aus­ gang 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 Be­ standteil der Sonde 10 vorgesehen sein.

Der löschbare Speicher 58 dient dazu, in dem System 30 oder 30′ Informationen, die für den Feuchtesensor 32 und die jeweilige Anwendung der Sonde spezifisch sind, zu pro­ grammieren und zu speichern. Für jede Sonde wird der Aluminiumoxidsensor 32 verschieden sein. Der löschbare Speicher 56 bietet somit dem Benutzer die Möglich­ keit, die Sonde 10 mit Informationen zu programmieren, die für den jeweiligen Feuchtesensor 32 eigentümlich sind. Der löschbare Speicher 56 bietet ferner dem Be­ nutzer die Möglichkeit, vorübergehende Informationen zu speichern, wie Identifizierungs-Codegruppen und Alarm- Grenzwerte.

Der Betrieb des Systems 30 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 Feuchte­ sensor 32 und die jeweilige Anwendung der Sonde 10 ei­ gentümlich sind.

Der erste Schritt 200 des vom Mikroprozessor 56 ausge­ führten 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 202 liest der Mikroprozessor das behandelte feuchteabhängige Signal, das behandelte temperaturabhängige Signal und das behandelte druckabhängige Signal. Der Mikroprozessor 56 führt diesen Schritt dadurch aus, daß er die Signale an den Wählausgängen 135 und 156 so einstellt, daß ein­ zeln der Reihe nach die behandelten Signale vom Feuchte­ sensor 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 temperaturab­ hängige 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 dar­ stellende Digitalwert durch einen im Speicher des Mikro­ prozessors 56 programmierten Algorithmus linearisiert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel stellt das feuchteabhängige Signal den Taupunkt dar. Ein weiterer Algorithmus wandelt den Taupunkt in ein zweites feuchte­ abhängiges 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 Mikro­ prozessor 56 die Analogsignale in Digitalwerte um, wel­ che die erfaßte Feuchte, die erfaßte Temperatur und den erfaßten Druck darstellen, und der Linearisierungs-Algo­ rithmus 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 Taupunkt­ messungen repräsentativ sind, die mit einem ausgewählten Feuchtesensor bei verschiedenen Feuchteniveaus empirisch ermittelt worden sind. Beispielsweise werden fünf der­ artige Datenpunkte verwendet, jedoch würde die Verwen­ dung 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 lautet Y = MX + B, wobei B der Wert der Y-Koordinate ist, wenn die X-Koordinate gleich O 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 Daten­ punkten 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 Fach­ mann bekannt, daß der Dampfdruck in logarithmischer Beziehung zum Taupunkt steht. Daher können die äquivalen­ ten Dampfdruckwerte für gegebene Taupunktwerte in Form einer Tabelle im Speicher des Mikroprozessors 56 vorge­ speichert sein. Der berechnete Taupunkt kann dann vom Mikroprozessor als Index für den Zugriff zur Dampfdruck­ tabelle verwendet werden, damit man zu einem Dampfdruck­ wert 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 Dampfdruck­ wert verwendet werden, damit die volumetrische Wasser­ konzentration in der untersuchten Umgebung erhalten wird. Das Wasservolumen in ppm wird vom Mikroprozessor dadurch berechnet, daß der Dampfdruckwert durch den gemessenen Druckwert dividiert und der Quotient mit 10⁶ multipliziert wird.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Wasser­ konzentration 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 Dampfdruck­ werts und des gemessenen Temperaturwerts berechnet wer­ den. 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 Spei­ cher des Mikroprozessors 56 vorgespeichert.

Der Mikroprozessor 56 verwendet den gemessenen Temperatur­ wert als Index für den Zugriff zu der Sättigungsdampf­ drucktabelle, um einen Wert für den Sättigungsdampfdruck für die Kohlenwasserstofflösung auszuwählen, der in Beziehung zu der Temperatur der Lösung steht. Der Mikro­ prozessor 56 dividiert dann den Dampfdruckwert durch den gewählten Sättigungsdampfdruckwert und multipliziert den Quotient mit der Konstanten K. Das Ergebnis ist die Wasserkonzentration in der untersuchten Kohlenwasser­ stofflösung, bezogen auf das Gewicht.

Die soeben beschriebenen Algorithmen sind Beispiele für die feuchteabhängigen Parameter, die mit der erfindungs­ gemäßen Sonde ermittelt werden können. Die feuchteab­ hängigen Parameter, die mit der Erfindung ermittelt wer­ den können, sind jedoch nicht auf diejenigen der zuvor er­ örterten Algorithmen beschränkt.

Im Schritt 208 werden die digitalen feuchteabhängigen Werte, der digitale Temperaturwert und der digitale Druck­ wert im Speicher des Mikroprozessors gespeichert. Im Schritt 210 vergleicht der Mikroprozessor die gespeicher­ ten 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 Grund­ lage 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 Alarm­ ausgang darstellt) auf den digitalen Ausgang 170 des Mikroprozessors 56 hin aktiviert.

Nach der Ausführung des Schritts 216 oder nach der Fest­ stellung, 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 Adressencode­ gruppen von dem Überwachungssystem 80 und geht zum Schritt 218 weiter.

Im Schritt 218 prüft der Mikroprozessor 56 jeden Adreß­ code, den er an seinem seriellen Dateneingang 162 em­ pfängt, um festzustellen, ob der Adreßcode derjenige des betreffenden Mikroprozessors 56 ist. Wenn der Adreß­ code nicht derjenige des betreffenden Mikroprozessors 56 ist, geht der Mikroprozessor 56 zum Schritt 202 zurück, und er beginnt die erneute Durchführung der Programm­ folge. 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 abge­ tasteten Größen gespeicherten Werte zum Überwachungs­ system 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 digitalen Datensignalen. Die serielle Kette von Daten­ signalen kann ein erstes digitales feuchteabhängiges Signal (Taupunkt), ein zweites digitales feuchteabhängiges Signal (Dampfdruck), ein digitales temperaturabhängiges Signal und ein digitales druckabhängiges Signal enthal­ ten. Somit kann eine Vielzahl von größenabhängigen Si­ gnalen über eine einzige Datenleitung 90 zu dem Über­ wachungssystem 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, 34 und 36 sowie die Signalverarbeitungsschaltung 50 als integrale Bestandteile enthält und eine serielle Datenaufgabe in Form von die gemessenen Größen darstellenden digitalen Signalen liefert, besteht darin, daß mehrere Sonden 10 mit einem einzigen Überwachungssystem 80 verbunden werden können. Ein solches Mehrfachsondensystem ist in Fig. 6 gezeigt. Mehrere Sonden 10 sind mit dem Überwachungs­ system 80 über eine gemeinsame Datenübertragungsleitung 220 verbunden. Wie gezeigt, ist die Datenübertragungs­ leitung 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 empfan­ gen wird. Der Mikroprozessor 56 in jeder Sonde 10 überträgt nur dann ein digitales Signal über die gemein­ same Übertragungsleitung 220 zum Überwachungssystem 80, wenn er seinen Adreßcode empfängt. Jede Sonde 10 hat einen anderen Adreßcode, so daß Daten von den Sonden zum Überwachungssystem 80 in einer vom Überwachungssystem 80 kontrollierten Folge übertragen werden.

Natürlich können im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen an der Sonde 10 vorgenommen werden. Insbe­ sondere 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.

Claims (13)

1. Hygrometersonde mit einem Feuchtesensor, der ein feuchteabhängiges Sensorsignal liefert, und mit einer Signalverarbeitungsanordnung zur Linearisierung des feuch­ teabhängigen Sensorsignals, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer Sensor (34, 36) vorgesehen ist, daß jeder weitere Sensor (34, 36) auf eine andere physi­ kalische Größe anspricht und ein von dieser physikali­ schen Größe abhängiges weiteres Sensorsignal erzeugt, daß die Signalverarbeitungsanordnung (50) in Abhängigkeit von dem feuchteabhängigen ersten Sensorsignal ein erstes di­ gitales Signal und in Abhängigkeit von jedem weiteren Sensorsignal ein weiteres digitales Signal erzeugt, und daß Einrichtungen (56, 60) zur Übertragung der digitalen Signale über eine einzige Datenübertragungsleitung (90) zu einem Überwachungssystem (80) vorgesehen sind.

2. Hygrometersonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der weitere bzw. ein weiterer Sensor (34) ein Temperatursensor ist.

3. Hygrometersonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der weitere bzw. ein weiterer Sensor (36) ein Drucksensor ist.

4. Hygrometersonde nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungs­ anordnung (50) durch Verarbeitung des feuchteabhängigen ersten Sensorsignals in Abhängigkeit von einem weiteren Sensorsignal ein zusätzliches digitales Signal erzeugt, das über die einzige Datenübertragungsleitung (90) zum Überwachungssystem (80) übertragen wird.

5. Hygrometersonde nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungs­ anordnung (50) eine Signalverarbeitungsschaltung (56) ent­ hält und daß zwischen jeden Sensor (32, 34, 36) und die Signalverarbeitungsschaltung (56) eine Signalbehandlungs­ schaltung (52, 54) eingefügt ist, die das Sensorsignal in eine für die Verarbeitung durch die Signalverarbeitungs­ schaltung (56) geeignete Form bringt.

6. Hygrometersonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die zwischen den Feuchtesensor (32) und die Si­ gnalverarbeitungsschaltung (56) eingefügte Signalbehand­ lungsschaltung (52) ein Impulsgenerator (100) ist, der eine Folge von elektrischen Impulsen erzeugt, deren Folge­ frequenz vom Sensorsignal des Feuchtesensors (32) abhängig ist.

7. Hygrometersonde nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die wenigstens einem weiteren Sensor (32, 34) nachgeschaltete Signalbehandlungsschaltung (54) ein Spannungs/Frequenz-Wandler (110) ist, der eine Folge von elektrischen Impulsen erzeugt, deren Folgefrequenz von dem weiteren Sensorsignal abhängig ist.

8. Hygrometersonde nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ge­ kennzeichnet durch eine Signalwählanordnung (140), die mehrere Signalbehandlungsschaltungen (52, 54) wahlweise abwechselnd mit der Signalverarbeitungsschaltung (56) ver­ bindet.

9. Hygrometersonde nach einem der Ansprüche 5 bis 8, ge­ kennzeichnet durch eine Signalwählanordnung (120), die mehrere Sensoren (34, 36) abwechselnd mit der gleichen Signalbehandlungsschaltung (54) verbindet.

10. Hygrometersonde nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (32, 34, 36) und die Signalverarbeitungsanordnung (50) in einem ge­ meinsamen Gehäuse (12) untergebracht sind.

11. Hygrometersonde nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (12) einen Kopf (14) und einen hohlen Stiel (20) aufweist, daß die Sensoren (32, 34, 36) in dem hohlen Stiel (20) untergebracht sind, und daß die Signalverarbeitungsanordnung (50) im Kopf (14) unterge­ bracht ist.

12. Hygrometersonde nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbei­ tungsanordnung (50) einen programmierbaren Speicher (58) zur Speicherung von in Beziehung zum Feuchtesensor (32) stehenden Informationen enthält, der mit der Signalver­ arbeitungsschaltung (56) durch eine in zwei Richtungen wirksame Verbindung (72) verbunden ist.

13. Hygrometersonde nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbei­ tungsanordnung (50) vom Überwachungssystem (80) über die einzige Datenübertragungsleitung (90) Adressensignale empfängt und Einrichtungen (56) zum Vergleich der Adres­ sensignale mit einem der Hygrometersonde (10) zugeordneten Adreßcode aufweist.