DE3740719C2

DE3740719C2 -

Info

Publication number: DE3740719C2
Application number: DE3740719A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Phys. 7853 Steinen De Herrmann; Dieter 7850 Loerrach De Funken
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1990-01-25
Also published as: CH676884A5; GB2213271B; FR2623909B1; JPH0715444B2; DE3740719A1; US4898476A; GB8827910D0; SE8804316D0; JPH01295147A; FR2623909A1; SE8804316L; GB2213271A; SE469494B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Wasser dampf-Taupunkts in Gasen, bei welchem die Temperatur der Sensorfläche von einem oberhalb der Taupunkttemperatur liegenden Wert abgesenkt wird, eine zur Anzeige der Bildung von Tautröpfchen auf einer Sensorfläche verwendete feuchteabhängige elektrische Größe durch Regelung der Temperatur der Sensorfläche auf einem einer stabilen Taumasse zugeordneten Sollwert gehalten wird und die Temperatur der Sensorfläche gemessen wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die direkte Taupunktmessung beruht bei diesem Verfahren darauf, daß auf der Sensorfläche Wasserdampf zu Tautröpfchen kondensiert, wenn die Sensorfläche auf die Taupunkttemperatur abgekühlt wird, und daß die Kondensation aus einem zugeord neten Wert der feuchteabhängigen elektrischen Größe erkennbar ist; die beim Einsetzen der Kondensation gemessene Temperatur der Sensorfläche ist dann die Taupunkttemperatur. Die Tau tröpfchen bleiben natürlich bestehen, wenn die Temperatur der Sensorfläche unter die Taupunkttemperatur abgesenkt wird, wobei die Masse des Kondensats zeitabhängig zunimmt. Für eine kontinuierliche Anzeige der Taupunkttemperatur ist es daher erforderlich, die Temperatur der Sensorfläche gerade auf dem Wert zu halten, der dem Beginn der Taupunkt-Kondensa tion entspricht. Diesem Zweck dient die Temperaturregelung.

Die für die Tautröpfchen-Detektion verwendete feuchteabhän gige elektrische Größe ist sehr häufig eine Kapazität, sie kann aber beispielsweise auch ein ohmscher Widerstand oder eine Impedanz sein.

Die richtige Bestimmung des Taupunkts mit diesem Verfahren setzt voraus, daß der feuchteabhängigen elektrischen Größe eindeutig ein Wert zugeordnet werden kann, den sie bei der Taupunkttemperatur hat, und daß der Sollwert für die Rege lung der feuchteabhängigen elektrischen Größe diesem Wert entspricht. Diese Bedingungen lassen sich für einen bestimm ten Sensor ohne Schwierigkeit erfüllen, solange er sauber ist. Dagegen gilt der für einen bestimmten Sensor ermittelte und eingestellte Sollwert in der Regel nicht mehr, wenn der Sensor verschmutzt ist. Verschmutzungen des Sensors verursa chen infolge einer Kapillarkondensation von Wasserdampf oder der Feuchtelöslichkeit bei öligen Verschmutzungsfilmen eine Änderung der feuchteabhängigen elektrischen Größe bereits bei Temperaturen, die weit oberhalb der Taupunkttemperatur liegen, so daß der einem sauberen Sensor entsprechende Soll wert bei einer Verschmutzung der Sensorfläche bereits bei einer Temperatur erreicht werden kann, die höher als die Taupunkttemperatur ist. Die Temperaturregelung regelt dann die Temperatur der Sensorfläche auf diese höhere Temperatur ein, die fälschlich als Taupunkttemperatur angezeigt und ausgewertet wird. Daher können Verschmutzungen erhebliche Meßfehler verursachen. Um mit einem verschmutzten Sensor die Taupunkttemperatur richtig zu ermitteln, müßte der Wert bekannt sein, den die feuchteabhängige elektrische Größe des verschmutzten Sensors beim Taupunkt hat. Dieser Wert ändert sich aber ganz erheblich in Abhängigkeit von der Art und vom Grad der Verschmutzung.

Aus der DE-PS 32 31 995 ist es bekannt, die Verschmutzung eines kapazitiven Taupunkt-Sensors dadurch festzustellen, daß der Phasenwinkel der bei Betauung bestehenden Sensorimpe danz gemessen und als Maß für die Verschmutzung verwendet wird. Durch diese Maßnahme wird aber der durch die Verschmut zung verursachte Meßfehler nicht beseitigt; es wird ledig lich angezeigt, daß eine Reinigung des Sensors erforderlich ist, oder auch ein automatischer Reinigungsvorgang ausgelöst, wenn die gemessene Verschmutzung einen bestimmten Grenzwert übersteigt.

Bei einem aus der DE-OS 26 40 663 bekannten Verfahren zum Messen des Taupunkts eines Gasgemisches, das insbesondere Kohlenwasserstoffe enthält, erfolgt keine Regelung der Temperatur der Sensorfläche zum Zweck der Aufrechterhaltung einer stabilen Taumasse; vielmehr wird bei jeder Feststellung eines ersten Kondensats die Temperatur der Sensorfläche gespeichert und ein Aufwärmzyklus ausgelöst, durch den die Temperatur der Sensorfläche gerade bis zur vollständigen Verdampfung des Kondensats erhöht wird. Dadurch soll erreicht werden, daß den schweren Kohlenwasserstoffen nicht genügend Zeit gelassen wird, daß sie kondensieren und eine Veränderung der Temperatur der Sonsorfläche herbeiführen können. Eine in der GB-OS 20 28 499 beschriebene Weiterbildung dieses Verfahrens besteht darin, daß nach dem Ende jedes Aufwärmzyklus die Sensorfläche zunächst verhältnismäßig schnell auf eine Temperatur abgekühlt wird, die geringfügig höher als eine angenommene Kondensationstemperatur für die Bildung des ersten Kon densats ist, daß dann die Sensorfläche langsamer bis zum Erscheinen des ersten Kondensats weiter abgekühlt wird und daß die bei der Feststellung des ersten Kondensats gespeicherte Temperatur der Sensorfläche im nächsten Zyklus als die ange nommene Kondensationstemperatur verwendet wird. In beiden Fällen wird davon ausgegangen, daß die Sensorfläche sauber ist; irgendwelche Maßnahmen zur Feststellung oder gar Kompen sation einer Verschmutzung der Sensorfläche sind in diesen Druckschriften nicht beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs angegebenen Art, bei welchem die Auswirkungen von Verschmutzungen der Sensorfläche selbsttätig kompensiert werden, so daß auch mit einer verschmutzten Sensorfläche, unabhängig von der Art und vom Grad der Verschmutzung, der Taupunkt richtig gemessen wird.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Ab senkung der Temperatur der Sensorfläche eine periodische zeitliche Temperaturänderung überlagert wird und daß bei gleichzeitigem Auftreten von periodischen zeitlichen Ände rungen der feuchteabhängigen elektrischen Größe der beim Wechsel der periodischen zeitlichen Änderungen zu einer monotonen Änderung gemessene Wert der feuchteabhängigen elektrischen Größe als der Sollwert verwendet wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß verschmutzungs bedingte Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Größe im Temperaturbereich oberhalb der Taupunkttemperatur den Temperaturänderungen der Sensorfläche folgen, während im Bereich unterhalb der Taupunkttemperatur jede Temperatur, gleichgültig ob steigend oder fallend, eine stetige Zunahme der Masse der kondensierten Tröpfchen und damit eine monoto ne Änderung der feuchteabhängigen elektrischen Größe verur sacht. Mit Hilfe der der Temperaturabsenkung überlagerten periodischen zeitlichen Temperaturänderungen können daher verschmutzungsbedingte Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Größe von der durch die Kondensation verursach ten Änderung deutlich unterschieden werden. Der Wechsel des zeitlichen Verlaufs der feuchteabhängigen elektrischen Größe von periodischen zeitlichen Änderungen zu einer monotonen Änderung findet am Taupunkt statt, und der bei diesem Wech sel gemessene Wert der feuchteabhängigen elektrischen Größe ist als Größe für die Verschmutzung der Sensorfläche erkenn- und auswertbar. Wenn dieser Wert als Sollwert für die feuch teabhängige elektrische Größe verwendet wird, wird die Temperatur der Sensorfläche richtig auf dem Taupunkt gehal ten.

Da sich die Verschmutzung der Sensorfläche in der Regel nur langsam ändert, genügt es, wenn die Ermittlung und Einstel lung des Sollwerts in größeren Zeitabständen erfolgt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Messung des Wasserdampf-Taupunkts in Gasen besteht darin, daß die Regelparameter für die Regelung der feuchteabhängi gen elektrischen Größe aufgrund einer Analyse von Schwin gungen der Regelgröße der feuchteabhängigen elektrischen Größe fortlaufend korrigiert werden.

Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Größe stets in optimaler Weise ablaufen zu lassen. Bei einer Regelung der feuchteab hängigen elektrischen Größe mit fest eingestellten Regelpa rametern ist es nicht möglich, ohne Eingriffe von außen im gesamten Bereich der zu erfassenden Taupunkttemperaturen Instabilitäten oder ein ungünstiges Regelverhalten zu ver meiden. Durch die erfindungsgemäße Schwingungsanalyse kön nen die Regelparameter fortlaufend so korrigiert werden, daß erkannte Instabilitäten beseitigt werden und ein opti males Regelverhalten erzielt wird.

Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit einem Taupunkt-Sensor, der ein die Sensorflä che aufweisendes elektrisches Sensorelement, das ein von der feuchteabhängigen elektrischen Größe abhängiges elektri sches Signal liefert, eine die Temperatur der Sensorfläche beeinflussende elektrische Heiz- und Kühleinrichtung und einen elektrischen Temperatursensor, der ein von der Tempe ratur der Sensorfläche abhängiges elektrisches Signal lie fert, aufweist, und mit einer an den Taupunkt-Sensor ange schlossenen Regelanordnung, die das feuchteabhängige elek trische Signal als Regelgröße empfängt und zu der elektri schen Heiz- und Kühleinrichtung eine Stellgröße liefert, durch die das feuchteabhängige elektrische Signal auf einem Sollwert gehalten wird, ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung einen Führungsregler und einen Folgeregler enthält, die in Kaskade angeordnet sind, daß der Führungsregler das feuchteabhängige elektri sche Signal als Regelgröße und den Sollwert des feuchteab hängigen elektrischen Signals als Führungsgröße empfängt und ein Temperatursollwertsignal abgibt und daß der Folge regler das vom Führungsregler gelieferte Temperatursollwert signal als Führungsgröße und das vom Temperatursensor gelie ferte temperaturabhängige Signal als Regelgröße empfängt und die Stellgröße zu der elektrischen Heiz- und Kühleinrichtung liefert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfah rens nach der Erfindung und der Anordnung zu seiner Durch führung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Anordnung zur Messung des Wasserdampf-Taupunkts in Gasen nach der Er findung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Sensorelement, das in der Anordnung von Fig. 1 verwendet werden kann,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil des Sensorelements von Fig. 2 in größerem Maßstab,

Fig. 4 einen möglichen zeitlichen Verlauf des feuchte abhängigen elektrischen Signals in der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 5 Diagramme zur Erläuterung der Schwingungsanalyse, die in der Anordnung von Fig. 1 durchgeführt wird,

Fig. 6 Diagramme von verschiedenen Schwingungsformen des feuchteabhängigen elektrischen Signals, die in der Anordnung von Fig. 1 vorkommen können,

Fig. 7 den Zusammenhang zwischen der Sensorkapazität und der Sensortemperatur bei einem sauberen Taupunkt- Sensor und bei einem verschmutzten Taupunkt-Sensor,

Fig. 8 Diagramme zur Erläuterung des Prinzips, das bei der Einstellung des Sollwerts zur Erzielung einer verschmutzungsunabhängigen Temperaturregelung in der Anordnung von Fig. 1 angewendet wird,

Fig. 9 Diagramme des zeitlichen Ablaufs eines in der Anordnung von Fig. 1 durchgeführten Zyklus zur Verschmutzungskompensation,

Fig. 10 den aus den Diagrammen von Fig. 9 entnehmbaren Zusammenhang zwischen der Sensorkapazität und der Sensortemperatur bei einem verschmutzten Taupunkt- Sensor und

Fig. 11 einen Teilabschnitt des zeitlichen Ablaufs des in Fig. 9 dargestellten Zyklus der Verschmutzungs kompensation.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur direkten Messung des Wassserdampf-Taupunkts in Gasen enthält einen Meßwertauf nehmer 10 mit einem elektrischen Sensorelement 12, das auf einem als Heiz- und Kühleinrichtung dienenden Peltierelement 14 angebracht ist, und mit einem auf die Oberflächentempera tur des Sensorelements 12 ansprechenden Temperatur-Sensor 16. Das Peltierelement 14 ist auf einem Träger 18 angebracht.

Bei der direkten Taupunktmessung wird zur Bestimmung des Wassergehalts eines Gases das nichtideale Gasverhalten von Wasserdampf ausgenutzt, nämlich die Fähigkeit zur Kondensa tion infolge der zwischenmolekularen Anziehungskräfte, wenn das Gas an der Oberfläche des Sensorelements 12 bis zu einer bestimmten Temperatur abgekühlt wird, die die Taupunkttempe ratur ist. Die Beziehung zwischen dem Wasserdampf-Partial druck des Gases und der Kondensationstemperatur (Taupunkt temperatur) ist durch die Sättigungsdampfdruckkurve gegeben; sie ist die Grundlage zur Umrechnung der direkten Meßgröße "Taupunkttemperatur" in alle anderen Feuchtegrößen.

Zur Taupunktmessung wird die Oberfläche des Sensorelements 12 dem zu messenden Gas ausgesetzt, indem entweder der Meß wertaufnehmer 10 unmittelbar im Prozeß angeordnet wird, oder indem Gas aus dem Prozeß entnommen und in eine Meßkammer eingeleitet wird, in der der Meßwertaufnehmer 10 angeordnet ist. Mit Hilfe des Peltierelements 14 wird das Sensorelement 12 abgekühlt, bis sich auf seiner Oberfläche durch Kondensa tion von Wasserdampf Tautröpfchen bilden. Das Auftreten von Kondensation wird mittels des Sensorelements 12 festgestellt; die gleichzeitig mit Hilfe des Temperatur-Sensors 16 gemesse ne Temperatur ist die Taupunkttemperatur. Bei weiterer Abküh lung des Sensorelements 12 auf noch niedrigere Temperaturen nimmt die Größe der Tautröpfchen und damit die Masse des kon densierten Wassers zu, doch sind die dann gemessenen Tempera turen für die Feuchtegrößen des Gases nicht mehr aussagekräf tig. Es kommt also darauf an, möglichst genau die Sensortem peratur beim Einsetzen der Kondensation zu erfassen. Für eine kontinuierliche Taupunktmessung wird die Sensortempera tur durch Temperaturregelung ständig auf dem Wert der Taupunkt temperatur gehalten, indem eine vorbestimmte Masse des konden sierten Wassers aufrechterhalten wird. Die in Fig. 1 darge stellten, mit dem Meßwertaufnehmer 10 verbundenen elektroni schen Schaltungen dienen der Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Größe sowie der Temperaturregelung.

Das elektrische Sensorelement 12 muß so beschaffen sein, daß es sowohl die Entstehung von Tautröpfchen beim Erreichen der Taupunkttemperatur als auch die Einhaltung einer vorbestimm ten Masse kondensierten Wassers mit möglichst großer Genauig keit und Empfindlichkeit erkennen und kontrollieren läßt. Zu diesem Zweck muß sich wenigstens eine elektrische Eigenschaft des Sensorelements in signifikanter Weise in Abhängigkeit von der Bildung der Masse des kondensierten Wassers ändern. Es sind verschiedene Arten von elektrischen Sensorelementen bekannt, die für diesen Zweck mehr oder weniger gut geeignet sind. Sehr oft ist die elektrische Eigenschaft, die zum Nachweis der Bildung von Kondensat verwendet wird, die Kapa zität zwischen zwei Sensorelektroden, die bei Bedeckung der Sensorelektroden mit Kondensat gegenüber dem Wert im trocke nen Zustand wegen der höheren Dielektrizitätskonstante von Wasser sprunghaft ansteigt. Bei anderen Sensorelementen wird die Zunahme der Leitfähigkeit zwischen zwei durch das Konden sat verbundene Elektroden detektiert. Schließlich ist es auch bekannt, durch Messung der Impedanz des Sensorelements die ohmsche Komponente und die kapazitive Komponente gemein sam zur Detektierung der Kondensation heranzuziehen.

Für die in Fig. 1 dargestellte Taupunkt-Meßanordnung ist das in der älteren deutschen Patentanmeldung P 37 20 189.1-52 beschriebene Sensorelement besonders gut geeignet. Fig. 2 zeigt eine sehr vereinfachte Draufsicht auf das in dieser Weise ausgebildete Sensorelement 12, und Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil dieses Sensorelements in größerem Maßstab. Dieses Sensorelement weist ein Substrat 112 auf, das aus einem feuchtigkeitsunempfindlichen Isoliermaterial besteht. Wie Fig. 3 erkennen läßt, ist das Substrat 112 unter Einfügung einer Trennschicht 114 aus Aluminium auf dem Peltierelement 14 angebracht. Die der Trennschicht abge wandte freie Oberseite des Substrats 112 bildet die Sensor fläche 118, die dem Gas ausgesetzt ist, dessen Wasserdampf- Taupunkt gemessen werden soll, so daß sich darauf bei Abküh lung auf die Taupunkttemperatur durch Kondensation Tautröpf chen bilden.

Auf der Sensorfläche 118 sind zwei Elektrodenstrukturen 120 und 130 gebildet, die in Fig. 2 der Deutlichkeit wegen sehr vereinfacht dargestellt sind. Die Elektrodenstruktur 120 hat die Form eines Kammes mit einer Anzahl von parallelen Zähnen 122, die am einen Ende mit einem senkrecht dazu verlaufenden Steg 124 verbunden sind. Am Ende des Stegs 124 ist eine verbreiterte Kontaktfläche 126 angeformt, die zur Kontaktie rung eines Anschlußleiters dient, über den die Elektroden struktur 120 mit der elektronischen Schaltung des Taupunkt- Meßgeräts verbunden wird. Die Elektrodenstruktur 130 besteht in völlig gleicher Weise, aber spiegelbildlicher Anordnung, aus Zähnen 132, einem Steg 134 und einer Kontaktfläche 136. Die Zähne 122 und 132 der beiden Elektrodenstrukturen liegen in einem kleinen zentralen Bereich des Substrats 112, der den eigentlichen für den Meßvorgang empfindlichen Sensorbe reich bildet. Die Zähne 122 und 132 sind abwechselnd inein andergreifend angeordnet, wobei die Zähne 122 der Elektroden struktur 120 in den Zwischenräumen zwischen den Zähnen 132 der Elektrodenstruktur 130 und umgekehrt die Zähne 132 der Elektrodenstruktur 130 in den Zwischenräumen zwischen den Zähnen 122 der Elektrodenstruktur 120 liegen. Jeweils zwei parallel nebeneinanderliegende Zähne stellen also Elektroden abschnitte dar, die zu verschiedenen Elektrodenstrukturen gehören. Die Zwischenräume zwischen den Zähnen jeder Elektro denstruktur sind so breit, daß in jedem Zwischenraum ein Zahn der anderen Elektrodenstruktur mit ausreichendem Abstand von den beiden benachbarten Zähnen aufgenommen werden kann. Dies ist insbesondere aus Fig. 3 zu erkennen, die in einem gegen die Darstellung von Fig. 2 vergrößerten Maßstab einen Schnitt durch mehrere nebeneinanderliegende Zähne 122, 132 der beiden Elektrodenstrukturen 120 bzw. 130 zeigt.

Jeder Zahn 122 und 132 der beiden Elektrodenstrukturen 120, 130 ist mit einer feuchtigkeitsunempfindlichen Isolierschicht 140 überzogen, die alle freien Flächen des Zahns vollständig bedeckt. Die Zähne 122 und 132 sind also einerseits durch das Isoliermaterial des Substrats 112 und andererseits durch die Isolierschicht 140 vollständig von dem Gas getrennt, dessen Taupunkt gemessen werden soll. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform besteht zwischen den Isolier schichten, die zwei benachbarte Zähne bedecken, jeweils ein Spalt 142, der bis zur Oberfläche des Substrats 112 durchgeht.

Die Elektrodenstrukturen 120 und 130 sowie die die Zähne bedeckende Isolierschicht 140 können auf dem Substrat 112 nach einem der üblichen Verfahren hergestellt werden, die aus der Dünnfilmtechnik und aus der Leiterplattentechnik bekannt sind. Die Elektrodenstrukturen 120, 130 werden bei spielsweise auf fotolithografischem Weg aus einem geeigneten Metallbelag, beispielsweise aus Tantal oder Platin, gebildet. Die Isolierschicht 140 muß aus einem chemisch stabilen, elektrisch isolierenden und völlig feuchtigkeitsunempfindli chen Material bestehen. Hierfür kommen Glas, Lack oder auch ein geeignetes Metalloxid in Frage. Das Material der Isolier schicht kann nach einem der bekannten Verfahren auf die Elektrodenstrukturen aufgebracht werden. Wenn das Oxid des für die Elektrodenstrukturen 120, 130 verwendeten Metalls die erforderlichen Eigenschaften aufweist, kann die Isolier schicht 140 gegebenenfalls auch durch Oberflächenoxidation des Leitermetalls gebildet werden.

Zur Verdeutlichung ist in Fig. 2 die Anzahl der Zähne in jeder Elektrodenstruktur übertrieben klein und der Abstand zwischen den benachbarten Zähnen übertrieben groß dargestellt.

In Wirklichkeit hat jede Elektrodenstruktur 120, 130 eine sehr viel größere Anzahl von Zähnen. Ein besonders wichtiges Merkmal dieses Sensorelements ist die Bemessung des Abstands zwischen den nebeneinanderliegenden Zähnen: er ist kleiner als 50 µm und beträgt vorzugsweise etwa 20 µm. Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform eines nach dem Prinzip von Fig. 2 und 3 hergestellten Sensorelements bestehen die Elektrodenstrukturen 120, 130 aus Tantal, das auf ein Sub strat 112 aus Aluminiumoxid aufgebracht ist. Jede Elektroden struktur hat einen Kamm aus 50 Zähnen mit einer Breite von 21 µm und einer Länge von 2 mm. Der Abstand zwischen den ineinandergreifenden Zähnen der beiden Elektrodenstrukturen beträgt 19 µm. Der von den beiden ineinandergreifenden Kamm strukturen gebildete eigentliche Sensorbereich nimmt daher nur eine Fläche von 2×4 mm ein. Die Isolierschicht 140 besteht aus hochverdichtetem und dadurch feuchtigkeitsunemp findlichem Tantaloxid, das in einer Dicke von 160 nm durch Oberflächenoxidation des Tantals der Elektrodenstrukturen gebildet ist.

Die Funktionsweise dieses Sensorelements beruht darauf, daß der Abstand zwischen den nebeneinanderliegenden Zähnen der beiden Elektrodenstrukturen von der Größenordnung der größten sich beim Erreichen der Taupunkttemperatur bildenden Kondensationströpfchen oder sogar kleiner ist. Dadurch wird erreicht, daß die ersten sich beim Erreichen der Taupunkttem peratur bildenden Kondensationströpfchen sofort die ganze Breite der Spalte 142 zwischen den benachbarten Zähnen 122 und 132 ausfüllen. Wie in der älteren Patentanmeldung ausführ lich beschrieben ist, hat dies eine sprunghafte Änderung der zwischen den beiden Elektrodenstrukturen gemessenen Impedanz zur Folge, weil die Kondensationströpfchen von verhältnismäßig großem Leitwert die verhältnismäßig kleinen Kapazitäten der Spalte 142 gewissermaßen kurzschließen und eine leitende Verbindung zwischen den wesentlich größeren Kapazitäten der die Zähne bedeckenden Isolierschichten 140 herstellen. Durch Messung der Impedanz zwischen den beiden Elektrodenstrukturen kann daher das Erreichen der Taupunkt temperatur schon bei der Bildung der ersten Kondensations tröpfchen festgestellt werden, noch bevor sich eine zusammen hängende Tauschicht gebildet hat.

Anstelle der Impedanz kann auch die Kapazität C _F des Sensor elements gemessen werden. Diese geht von dem Trocken-Kapazi tätswert C₀ beim Erreichen der Taupunkttemperatur auf den wesentlich größeren Taupunkt-Kapazitätswert C ₁. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Taupunkt-Meßan ordnung wird mit dieser Messung der Sensorkapazität C _F gear beitet.

Der Meßwertaufnehmer 10 hat einen ersten Anschluß 10 a, an dem ein elektrisches Signal S _Z zur Verfügung steht, das von der feuchteabhängigen elektrischen Größe des Sensorelements 12 abhängt, bei Verwendung des in Fig. 2 und 3 dargestellten Sensorelements also von dessen Impedanz Z. An den Anschluß 10 a ist eine Impedanzauswerteschaltung 20 angeschlossen, die aus dem Signal S _Z ein für die Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal bildet, das die für die Taupunktdetektion verwendete feuchteabhängige elektrische Größe darstellt, im vorliegenden Fall also die Sensorkapazität C _F. Zur Vereinfa chung wird dieses Signal ebenfalls mit C _F bezeichnet.

Der Meßwertaufnehmer 10 hat einen zweiten Anschluß 10 b, an dem ein elektrisches Signal S _T zur Verfügung steht, das von der temperaturabhängigen elektrischen Größe des Temperatur- Sensors 16 abhängt. Der Temperatur-Sensor 16 kann beispiels weise ein Thermoelement sein, das eine temperaturabhängige Spannung liefert, oder ein Widerstands-Thermometer, dessen ohmscher Widerstand sich in dem zu erfassenden Temperaturbe reich mit der Temperatur ändert. Bei dem dargestellten Bei spiel wird angenommen, daß der Temperatur-Sensor 16 ein Platin-Widerstandsthermometer in Dünnfilm-Technologie vom Typ PT 100 ist. Demzufolge ist das am Anschluß 10 b verfügba re elektrische Signal S _T vom Widerstand des Temperatur-Sen sors 16 abhängig. An den Anschluß 10 b ist eine Temperaturaus werteschaltung 22 angeschlossen, die aus dem Signal S _T ein für die Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal bildet, das die vom Temperatur-Sensor 16 gemessene Tempera tur T _F der Oberfläche des Sensorelements 12 darstellt. Zur Vereinfachung wird dieses Signal ebenfalls mit T _F bezeichnet.

Die Ausgänge der Impedanzauswerteschaltung 20 und der Tempe raturauswerteschaltung 22 sind mit zwei Eingängen 30 a bzw. 30 b eines Mikrocomputers 30 verbunden, wobei, falls erforder lich, jeweils ein Analog-Digital-Umsetzer eingefügt sein kann. Im Mikrocomputer 30 wird die Sensortemperatur T _F mit einem im Mikrocomputer berechneten Solltemperaturwert T _S verglichen, wie durch ein Vergleichsschaltungssymbol 31 angedeutet ist. Der durch den Vergleich erhaltene Differenz wert T _S-T _F wird in einem Funktionsblock 32, der die Funk tion eines Temperaturreglers hat, zur Erzeugung eines Tempe raturregelsignals S _T verwendet, das an einem Ausgang 30 c des Mikrocomputers 30 abgegeben wird.

Der Funktionsblock 32 ist natürlich, wie auch die übrigen dargestellten Funktionsblöcke, im Mikrocomputer 30 nicht konkret vorhanden; die Funktionsblöcke repräsentieren viel mehr verschiedene Programmroutinen des Mikrocomputers.

Ein an den Ausgang 30 c des Mikrocomputers 30 angeschlossener Digital-Analog-Umsetzer 24 setzt das Temperaturregelsignal S _T in eine Spannung U _T um, die dem Eingang einer Leistungs- Endstufe 25 zugeführt wird, die den Strom I _P für das Peltier element 14 zu einem dritten Anschluß 10 c des Meßwertaufneh mers 10 liefert. Dieser Strom I _P ist bekanntlich, je nach seiner Polarität, entweder ein Heizstrom oder ein Kühlstrom. Durch die zur Leistungs-Endstufe 25 gelieferte Spannung U _T wird der Peltier-Strom I _P so eingestellt, daß die Differenz T _S-T _F zu Null wird. Nach einem bekannten Verfahren kann der Peltier-Strom I _P zu diesem Zweck periodisch umgepolt wer den, so daß er abwechselnd als Heizstrom und als Kühlstrom wirkt, wobei die Spannung U _T das Tastverhältnis so bestimmt, daß sich eine mittlere Sensortemperatur T _F einstellt, die gleich der Solltemperatur T _S ist. Die Bestandteile 12, 16, 22, 31, 32, 24, 25, 14 bilden also einen Temperaturregelkreis, der die Sensortemperatur T _F ständig der Solltemperatur T _S nachregelt. In diesem Temperaturregelkreis ist die Sensortem peratur T _F die Regelgröße, die Solltemperatur T _S die Führungs größe und der Peltier-Strom I _P die Stellgröße.

Wenn dafür gesorgt wird, daß die Solltemperatur T _S gleich der Taupunkttemperatur T _P ist, wird durch diese Temperatur regelung die Sensortemperatur T _F ständig auf dem Wert der Taupunkttemperatur T _P gehalten. Eine an den Ausgang der Temperaturauswerteschaltung 22 angeschlossene Temperaturan zeige 26 zeigt dann im eingeregelten Zustand die Taupunkttem peratur an.

Der Mikrocomputer 30 kann in herkömmlicher Weise die gemesse ne Taupunkttemperatur T _P, die durch das Signal T _F im eingere gelten Zustand angegeben wird, zur Gewinnung aller gewünschten Feuchtegrößen verarbeiten, wie durch einen Funktionsblock 33 dargestellt ist. Zu diesem Zweck ist die Sättigungsdampfdruck kurve als Tabelle im Mikrocomputer 30 abgespeichert. Diese Auswertung der Taupunkttemperatur ist allgemein bekannt und wird daher nicht weiter erläutert.

Bei der Taupunkt-Meßanordnung von Fig. 1 ist der Mikrocompu ter 30 zusätzlich zu seinen herkömmlichen Aufgaben in die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Größe einbezogen, die die Sensortemperatur T _F zur Erzielung einer stabilen Masse des kondensierten Wassers der Oberfläche des Sensorele ments 12 regelt. Zu diesem Zweck wird im Mikrocomputer 30 die dem Eingang 30 a zugeführte Sensorkapazität C _F mit einem im Mikrocomputer berechneten, dem Taupunkt zugeordneten Kapazitätssollwert C ₁ verglichen, wie durch ein weiteres Vergleichsschaltungssymbol 34 angedeutet ist. Der durch den Vergleich erhaltene Differenzwert C _F-C ₁ wird in einem Funktionsblock 35, der die Funktion eines als PID-Regler ausgebildeten Reglers der feuchteabhängigen elektrischen Größe erfüllt, zur Erzeugung des Solltemperaturwerts T _S verwendet, das für den Vergleich in der symbolisch darge stellten Vergleichsschaltung 31 verwendet wird. Die Solltem peratur T _S wird durch die Regelung im Funktionsblock 35 so eingestellt, daß die Differenz C _F-C ₁ zu Null gemacht wird, daß also die Sensorkapazität C _F den Taupunkt-Kapazitätssoll wert C ₁ annimmt. Unter der Voraussetzung, daß der Kapazitäts sollwert C ₁ der Sensorkapazität bei der wahren Taupunkttem peratur entspricht, wird auf diese Weise die Sensortemperatur T _F durch Regelung auf der Taupunkttemperatur T _P gehalten. Durch Anzeige der vom Temperatursignal T _F dargestellten Temperatur in einer Temperatur-Anzeige 26 wird dann im ein geregelten Zustand die Taupunkttemperatur T _P angezeigt.

Es besteht also ein zweiter Regelkreis, der vom Sensorele ment 12 über die Impedanzauswerteschaltung 20 und die Funk tionsblöcke 34, 35 des Mikrocomputers 30 zum Temperaturregel kreis verläuft. Im zweiten Regelkreis ist die Sensorkapazi tät C _F die Regelgröße und der Taupunkt-Kapazitätssollwert C ₁ die Führungsgröße. Die Stellgröße T _S des zweiten Regelkreises bildet zugleich die Führungsgröße des Temperaturregelkreises. Es handelt sich also um eine Kaskadenregelung, wobei der äußere zweite Regelkreis den inneren Temperaturregelkreis einschließt. Der durch den Funktionsblock 35 repräsentierte Regler der feuchteabhängigen elektrischen Größe des äußeren Regelkreises wirkt als Führungsregler, und der Temperaturreg ler 32 des inneren Regelkreises wirkt als Folgeregler.

Die innere Regelung bewirkt, daß die Oberflächentemperatur T _F des Sensorelements 12 in möglichst kurzer Zeit dem Soll temperaturwert T _S, den der Regler 35 vorschreibt, nachfolgt. Die Regelparameter des Temperaturreglers 26 bleiben im gesam ten Temperaturbereich auch unter unterschiedlichsten Einsatz bedingungen konstant. Eine wesentliche Bedingung für diese innere Temperaturregelung ist, daß sie schneller abläuft als die äußere Regelung.

Die äußere Regelung, die die Kapazität C _F (oder allgemein die verwendete feuchteabhängige elektrische Größe) des Meß wertaufnehmers 10 durch die Veränderung der Sensortemperatur T _F regelt, dient der eigentlichen Taupunktermittlung.

Wenn der Meßwertaufnehmer 10 nicht unmittelbar im Prozeß angeordnet ist, sondern in einer Meßkammer, in die aus dem Prozeß entnommenes Gas eingeleitet wird, dient die aktuelle Sensortemperatur T _F auch als Sollwert für eine parallele Regelung der Meßkammertemperatur, die durch den Schaltungs block 28 dargestellt ist. Diese Regelung erfolgt derart, daß die Meßkammertemperatur um einen vorgegebenen Betrag über der Sensortemperatur gehalten wird, wobei dieser Betrag für verschiedene Temperaturbereiche der Sensortemperatur verschie den sein kann. Durch die Meßkammertemperaturregelung 28 wird parallel zu der Temperatur der Meßkammer auch die Temperatur der Rohrbegleitheizung geregelt.

Mit Hilfe der beschriebenen Kaskadenregelung werden die Eigen schaften der wesentlich einfacheren Temperaturregelung zur Vereinfachung der Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Größe ausgenutzt:

a) Störungen infolge von Gastemperaturänderungen bleiben auf die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Größe ohne Einfluß, da sie von der separaten inneren Temperaturrege lung abgefangen werden.
b) Die Rückkopplung innerhalb der Regelung der feuchteabhän gigen elektrischen Größe durch Veränderung der Energie bilanz an der Sensoroberfläche infolge von Wasserdampf kondensation (oder Verdampfung) wird durch die separate innere Temperaturregelung aufgehoben, denn Veränderungen in der Energiebilanz werden vom separaten Temperaturreg ler ausgeregelt.

Die Einbeziehung des Mikrocomputers 30 in die Regelkreise ermöglicht eine selbsttätige Beeinflussung der Regelung zur Ausschaltung von Störeinflüssen und zur Erzielung eines opti malen Regelverhaltens. Zu diesem Zweck erfüllt der Mikrocom puter 30 insbesondere die folgenden Funktionen:

1. Die Regelparameter der PID-Regelung 35 werden je nach der Dynamik der Regelstrecke vom System selbstoptimierend bestimmt.
2. Der Sollwert für den dem Taupunkt entsprechenden Wert der feuchteabhängigen elektrischen Größe des Sensors 10, beim beschriebenen Beispiel also der Wert C ₁ der Sensorkapazi tät C _F, wird vom System selbsttätig so bestimmt, daß Ver schmutzungen des Sensors, die zu Fehlmessungen führen würden, kompensiert werden.
3. In dem Verschmutzungskompensationszyklus wird gleichzeitig die Zeitkonstante T _z1 des Folgereglers 32 für die Regelung der Temperatur des Peltierelements 14 bestimmt; zu diesem Zweck ist der Mikrocomputer 30 in den inneren Temperatur regelkreis einbezogen.

Diese Funktionen werden nachfolgend beschrieben.

Selbstoptimierung der Taupunktregelung

Im Normalzustand der Regelung wird von der durch den Funk tionsblock 35 dargestellten PID-Regelung in zeitlich konstan ten Zyklen mit einer Zykluszeit Δ t _x von etwa 0,5 bis 1 s jeweils ein neuer Temperatursollwert T _S festgelegt, der sich vom vorhergehenden Sollwert T′ _S um eine Sollwertänderung Δ T _S unterscheidet:

T _S = T′ _S + Δ T _S (1)

Für die Sollwertänderung Δ T _S pro Zyklus gilt die folgende Gleichung

Δ T _S = K _i · (C _F - C₁) · Δ t _x + K _p · Δ (C _F - C₁) + K _d · Δ²(C _F - C₁)/Δ t _x (2)

Darin sind K _i, K _p, K _d die Regelparameter für die Integral-, Proportional- bzw. Differentialregelung der PID-Regelung des Funktionsblocks 35. Die Besonderheit der dargestellten Meßan ordnung besteht darin, daß die Regelparameter K _i, K _p, K _d nicht fest eingestellt sind, sondern vom System in Abhängig keit vom Zeitverhalten der Regelstrecke verändert werden.

Eine Korrektur der Regelparameter wird immer dann vorgenom men, wenn die in einem Zyklus Δ t _x bestimmte Sollwertkorrek tur Δ T _S zu groß ist, und deshalb das System zu oszillieren beginnt, oder wenn sie so klein ist, daß die Kondensations- oder Verdampfungsprozesse mit der Feuchteänderung im Gas nicht mehr mitkommen.

Die Korrektur der Regelparameter erfolgt durch eine Programm routine, die in Fig. 1 durch einen Funktionsblock 36 darge stellt ist, aufgrund des Ergebnisses einer durch den Funktions block 37 dargestellten Schwingungsanalyse des Regelkreises. Fig. 4 zeigt als Beispiel eine abklingende Schwingung der Sensorkapazität C _F um den Sollwert C ₁. Die Schwingung hat die Schwingungsdauer t _M und zwei aufeinanderfolgende positive Amplituden C _A, C _B, zwischen denen eine negative Amplitude C _C liegt. Aus den Werten t _M, C _A und C _B können der Realteil P _2R und der Imaginärteil P _2J des Poles der Übertragungsfunktion der Taupunktregelung nach den folgenden Gleichungen berechnet werden:

Diese Beziehungen gelten unabhängig davon, ob die Schwingung von C _F abklingt, ob sie sich gerade aufschaukelt oder ob sie mit konstanter Amplitude besteht.

Die durch den Funktionsblock 37 dargestellte Schwingungsana lyse wird sowohl im Einlaufprozeß bei jeder Inbetriebnahme des Geräts als auch im normalen Regelprozeß in jedem Δ t _x- Zyklus aufgerufen. Als Ergebnis der Schwingungsanalyse lie fert der Funktionsblock 37 die Werte der beiden Schwingungs parameter P _2R und P _2J zum Funktionsblock 36.

Anstelle der Schwingung der Sensorkapazität C _F im äußeren Regelkreis kann ebensogut die Schwingung der Sensortempera tur T _F im inneren Regelkreis zur Schwingungsanalyse herange zogen werden. Die folgende Beschreibung gilt sinngemäß auch für diesen Fall.

Es besteht das Problem, aus digitalen Abtastwerten der Sensor kapazität C _F oder der Sensortemperatur T _F die Maxima und Minima der Schwingungskurve richtig zu erkennen, so daß zufällige Schwankungen von echten Schwingungen unterschieden werden können und auch Langzeitschwingungen erfaßt werden. Zur Lösung dieses Problems erfolgt die Schwingungsanalyse im Funktionsblock 37 durch eine "Dreidifferentialmethode", die anhand der Diagramme von Fig. 5 erläutert wird.

Das Diagramm A von Fig. 5 zeigt aufeinanderfolgende digitale Abtastwerte, die in gleichmäßigen Zeitabständen aus der Sensorkapazität C _F als Funktion der Zeit darstellenden Ana logkurve entnommen sind. Die Abtastwerte sind durch gerade Strecken verbunden, wodurch die Analogkurve näherungsweise nachgebildet ist. Die Schwingung verläuft etwa sinusförmig um einen Mittelwert C _m.

Im Diagramm B ist das Vorzeichen der Steigung der Kurvenab schnitte zwischen den aufeinanderfolgenden Abtastwerten dargestellt, das auch das Vorzeichen des Differentials der entsprechenden Abschnitte der Analogkurve ist. Der Wert +1 entspricht dem positiven Vorzeichen, also einem ansteigenden Kurvenabschnitt, und der Wert -1 entspricht dem negativen Vorzeichen, also einem abfallenden Kurvenabschnitt. Das Vorzeichen kann für jeden Kurvenabschnitt erst festgestellt werden, wenn der zweite Abtastwert vorliegt; deshalb fällt ein Vorzeichenwechsel, der für den vorhergehenden Kurvenab schnitt gilt, im Diagramm B zeitlich mit dem zweiten Abtast wert dieses Kurvenabschnitts im Diagramm A zusammen.

Der erste Abtastwert des Diagramms A liegt im Ursprung des Koordinatensystems. Im Diagramm B ist angenommen, daß die Steigung des davorliegenden Kurvenabschnitts (der im Dia gramm A nicht dargestellt ist) ein positives Vorzeichen hatte. Dieses positive Vorzeichen entspricht im Diagramm B dem Wert +1, der festgehalten wird, bis der zweite Abtastwert vorliegt. Im Zeitpunkt des zweiten Abtastwerts wird festgestellt, daß die Steigung des Kurvenabschnitts zwischen dem ersten und dem zweiten Abtastwert ebenfalls ein positives Vorzeichen hatte. Deshalb wird im Diagramm B zwischen dem zweiten und dem dritten Abtastwert weiterhin der Wert +1 festgehalten, obwohl der Kurvenabschnitt zwischen diesen beiden Abtastwer ten abfällt, also eine negative Steigung hat.

Erst beim Vorliegen des dritten Abtastwerts kann festgestellt werden, daß der vorangehende Kurvenabschnitt eine negative Steigung hatte. Deshalb geht die Vorzeichenkurve des Dia gramms B im Zeitpunkt des dritten Abtastwerts nach dem Wert -1, der nun bis zum Vorliegen des vierten Abtastwerts fest gehalten wird, obwohl die Steigung zwischen dem dritten und dem vierten Abtastwert wieder positiv ist. Der erneute Vor zeichenwechsel wird erst im Zeitpunkt des vierten Abtastwerts festgestellt, so daß in diesem Zeitpunkt die Kurve des Dia gramms B wieder vom Wert -1 auf den Wert +1 geht. Die weitere Entstehung der Vorzeichenkurve des Diagramms B aus den Abtast werten des Diagramms A ist aufgrund der vorstehenden Erläute rung ohne weiteres verständlich.

Ein bleibender Vorzeichenwechsel der Steigung der Schwingungs kurve zeigt einen Extremwert (Minimum oder Maximum) an. Ein solcher bleibender Vorzeichenwechsel muß von sporadischen Vorzeichenwechseln unterschieden werden, die durch kurzzeiti ge Störungen im Kurvenverlauf auftreten. So ist im Diagramm A zwischen dem ersten und dem zweiten Kurvenabschnitt ein Vorzeichenwechsel erkennbar, der jedoch durch einen erneuten Vorzeichenwechsel zwischen dem zweiten und dem dritten Kur venabschnitt wieder rückgängig gemacht wird. Um zu verhindern, daß solche sporadische Vorzeichenwechsel fälschlich als Extremwerte interpretiert werden, wird im Mikrocomputer 30 eine Zählvariable E _e in Abhängigkeit von den Vorzeichenwech seln des Diagramms B so eingestellt, wie im Diagramm C dar gestellt ist.

Bei jedem Vorzeichenwechsel des Diagramms B, der einem Extrem wert entsprechen könnte, wird die Zählvariable E _e um "1" ver größert. Sie wird aber bei einem unmittelbar darauffolgenden Vorzeichenwechsel wieder um "1" verringert. Wenn dagegen auf den einen Extremwert ankündigenden Vorzeichenwechsel im näch sten Kurvenabschnitt kein erneuter Vorzeichenwechsel folgt, wird der Extremwert dadurch bestätigt, daß der Zählwert E _e erneut um "1" vergrößert wird.

Aus dem Diagramm C ist ersichtlich, daß das erste Maximum dann erreicht ist, wenn die Zählvariable den Wert E _e=2 erreicht hat. Nun wird der dem vorhergehenden Vorzeichenwech sel entsprechende Abtastwert C _{A 1} festgehalten, und ab dem Zeitpunkt dieses Vorzeichenwechsels wird die Zeit zur Mes sung der Schwingungsdauer gezählt.

Das Minimum der Schwingung ist für E _e=4 erreicht, und das zweite Maximum ist für E _e=6 erreicht. Bei dem diesem zwei ten Maximum entsprechenden Vorzeichenwechsel wird der zuge hörige Abtastwert C _{B 1} festgehalten und die Zeitmessung been det. Die gemessene Zeit ist die Schwingungsdauer t _M. Die Schwingungsamplituden der beiden Maxima ergeben sich aus den Abtastwerten:

C _A = C _{A 1} - C _m (5)

C _B = C _{B 1} - C _m (6)

Ist C _{C 1} der Abtastwert im Minimum der Schwingung, so ergibt sich der Mittelwert der Schwingung gemäß

Damit stehen alle erforderlichen Werte für die Berechnung der Schwingungsparameter P _2R und P _2J zur Verfügung.

In der Regel wird das zweite Maximum wieder als Ausgangspunkt für eine neue Schwingungsmessung verwendet. Die Zählvariable wird daher nicht auf "0" zurückgestellt, sondern auf E _e= 2 gesetzt.

Als nächstes muß noch beurteilt werden, ob die derart analy sierte Schwingung für eine Selbstoptimierung der Regelung geeignet ist. Beispielsweise gilt eine erkannte "Schwingung" als nichttauglich für eine Selbstoptimierung, wenn die ermit telten Schwingungsamplituden gegenüber dem Schwingungsmittel wert C _m zu klein sind. Ferner müssen die aus den gemessenen Größen C _A, C _B, t _M errechneten Schwingungsparameter P _2R und P _2J die Kriterien einer Schwingung erfüllen. Die Dämpfungs zeitkonstante t _D, die den exponentiellen zeitlichen Abfall der Schwingungskurve bestimmt, darf nicht wesentlich kürzer sein als die gemessene Schwingungsdauer t _M. Diese Bedingung ist in den Diagrammen von Fig. 6 dargestellt: Im Diagramm A ist die Dämpfungszeitkonstante t _D größer als die gemessene Schwingungsdauer t _M, und im Diagramm B ist sie nur unwesent lich kleiner; diese beiden Schwingungen können zur Korrektur der Regelparameter zugelassen werden. Dagegen ist im Diagramm C die Dämpfungszeitkonstante t _D sehr klein gegen die gemessene Schwingungsdauer t _M; diese Schwingung wird nicht zugelassen.

Wenn alle Voraussetzungen für die Korrektur der Regelparame ter K _i, K _p, K _d, aufgrund der durchgeführten Schwingungsana lyse erfüllt sind, berechnet die durch den Funktionsblock 36 dargestellte Programmroutine die neuen Regelparameter in der folgenden Weise:

Wenn

T _{z 1} die im Verschmutzungszyklus gemessene Zeitkonstante des Temperaturreglers 32,
T _{z 2} die aus der Schwingungsanalyse berechnete Zeitkonstante der thermischen Verzögerung des Sensorelements 12 und
T _r die Zeitkonstante der Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Größe im exponentiellen aperiodischen Grenzfall

ist, gilt für die neuen Regelparameter des zu den drei Zeit konstanten gehörenden aperiodischen Grenzfalls:

Dabei sind die Parameter X, Y und T _r aus den alten Regelpa rametern K _p′, K _i′, K _d′ sowie aus den durch die Schwingungs analyse erhaltenen Schwingungsparametern P _2R, P _2J nach den folgenden Gleichungen zu berechnen:

Die Theorie der Selbstoptimierung der Taupunktregelung erfor dert dabei, daß für die errechneten Werte für T _z2 und Y gel ten muß

T _{z 2} < 0
Y < 0,

denn der Wert für Y ist gemäß der Theorie ein sehr kleiner positiver Korrekturwert zur Berechnung von K _d nach der Gleichung (8).

Wie die Gleichungen (8), (9), (10) zeigen, entspricht jedem vorgegebenen Wert für die Zeitkonstante T _r des idealen Ein schwingvorgangs im aperiodischen Grenzfall ein typischer Satz von Regelparametern K _p, K _i, K _d.

Die begrenzte Leistungsfähigkeit des Peltierelements erfor dert auch eine Begrenzung des Differentialanteils der Tau punktregelung. Der Differentialanteil ist für eine schnelle Antwort des Taupunktreglers auf eine Störung entscheidend. Tatsächlich liefert die zuvor beschriebene Selbstoptimierung immer einen Differentialanteil, der die anderen Größen wesent lich überragt. Um der begrenzten Kühlleistung des Peltierele ments Rechnung zu tragen, wird dafür gesorgt, daß für K _d der folgende Grenzwert eingehalten wird:

K _d<10×K _p.

Verschmutzungskompensation

Fig. 7 zeigt den Einfluß einer Verschmutzung des Meßwertauf nehmers 10 auf den Zusammenhang zwischen der Sensorkapazität C _F und der Sensortemperatur T _F.

Die Kurve I entspricht dem sauberen Sensor. Sie zeigt an, daß beim Absenken der Sensortemperatur T _F die Sensorkapazität C _F der Trockenkapazität C₀ entspricht, bis die Taupunkttempera tur T _P nahezu erreicht ist. Erst kurz vor dem Erreichen der Taupunkttemperatur T _P steigt die Sensorkapazität geringfügig an, um dann genau bei der Taupunkttemperatur T _P auf einen Wert anzusteigen, der sehr viel größer als die Trockenkapazi tät C₀ ist. Der Taupunktsensor wird also im wesentlichen richtig auf der Taupunkttemperatur T _P gehalten, wenn die Sensortemperatur T _F so eingeregelt wird, daß die Sensorkapa zität den dargestellten Wert C ₁ annimmt.

Die Kurve II entspricht einem verschmutzten Sensor. Beim Absenken der Sensortemperatur T _F steigt die Sensorkapazität C _F infolge der Kapillarkondensation von Wasserdampf oder der Feuchtelöslichkeit bei öligen Verschmutzungsfilmen bereits an, wenn die Sensortemperatur noch weit oberhalb des Taupunk tes liegt. Je nach der Art der Verschmutzung kann dieser Anstieg der Sensorkapazität C _F bereits bei Temperaturen beginnen, die bis zu 100°C oberhalb des Taupunkts liegen.

Wenn nun die Sensorkapazität C _F durch die Temperaturreglung auf dem gleichen Wert C ₁ wie beim sauberen Sensor gehalten wird, entspricht die Sensortemperatur T _F nicht dem Taupunkt T _P, sondern einem höheren Wert T′ _F. Daraus ergibt sich ein Meßfehler T bei der Messung der Taupunkttemperatur. Damit der Taupunkt-Sensor auf der richtigen Taupunkttemperatur T _P gehalten wird, müßte die Regelung so erfolgen, daß die Sensorkapazität C _F durch die Temperaturregelung auf dem Wert C′ ₁ gehalten wird.

Der Wert C′ ₁ gilt natürlich nur für die Art und den Grad der Verschmutzung, die die Kurve II ergeben. Andere Arten und/ oder Grade der Verschmutzung ergeben jeweils andere Werte der Sensorkapazität C _F beim Taupunkt T _P.

Bei der Meßanordnung von Fig. 1 wird im Mikrocomputer 30 durch eine Programmroutine, die durch den Funktionsblock 38 dargestellt ist, der als Führungsgröße für die Temperaturre gelung verwendete Kapazitätswert C ₁ selbsttätig so eingestellt, daß er genau der Sensorkapazität C _F = C′ ₁ beim Taupunkt T _P entspricht. Auf diese Weise werden die zuvor erläuterten Auswirkungen von Verschmutzungen des Sensors automatisch kompensiert.

Zu diesem Zweck wird ein Verfahren angewendet, das es ermög licht, die verschmutzungsbedingten Änderungen des Meßsignals C _F oberhalb der Taupunkttemperatur von den Änderungen zu unterscheiden, die durch die Oberflächenkondensation von Wasserdampf bei und unterhalb der Taupunkttemperatur hervor gerufen werden.

Das diesem Verfahren zugrundeliegende Prinzip soll anhand der Diagramme von Fig. 8 erläutert werden. Das Diagramm A von Fig. 8 stellt die Sensortemperatur T _F als Funktion der Zeit dar. Im linken Teil des Diagramms A ist angenommen, daß die Sensortemperatur T _F im Bereich oberhalb der Taupunkttempera tur T _p periodisch geändert wird. Der einfacheren Darstellung wegen soll angenommen sein, daß es sich um eine sinusförmige Änderung handelt. Diese Änderungen erfolgen wegen der Wärme trägheit des Taupunkt-Sensors natürlich verhältnismäßig langsam. Ferner ist die Amplitude der Änderungen zur Verdeut lichung übertrieben groß dargestellt.

Im rechten Teil des Diagramms A sind entsprechende Änderungen der Sensortemperatur T _F im Bereich unterhalb der Taupunkttem peratur T _P dargestellt.

Das Diagramm B zeigt, wie sich die Sensorkapazität C _F eines verschmutzten Sensors bei den Temperaturänderungen gemäß dem Diagramm A als Funktion der Zeit t ändert. Im Bereich ober halb der Taupunkttemperatur ist der Zusammenhang zwischen den Temperaturänderungen und den Kapazitätsänderungen durch die Kurve II von Fig. 7 gegeben. In diesem Bereich ändert sich die Kapazität des verschmutzten Sensors entgegengesetzt zu der Sensortemperatur entsprechend dem durch die Kurve II bestimmten Verlauf der Kapazitäts-Temperatur-Kennlinie. Diese Kapazitätsänderungen liegen im Bereich zwischen der Trocken-Kapazität C ₀ und der Taupunkt-Kapazität C′ ₁ des verschmutzten Sensors.

Dagegen würde sich die Kapazität eines sauberen Sensors in diesem Bereich nicht ändern, wie sich unmittelbar aus Fig. 7 ergibt, weil die durch die Kurve I gegebene Kapazitäts- Temperatur-Kennlinie des sauberen Sensors in diesem Bereich horizontal verläuft. Der saubere Sensor behält bei Tempera turänderungen in diesem Bereich unverändert den Trocken- Kapazitätswert C ₀.

Im Bereich unterhalb der Taupunkttemperatur folgt dagegen die Kapazität des verschmutzten Sensors nicht mehr den Änderungen der Sensortemperatur, wie im rechten Teil der Diagramme dargestellt ist. In diesem Bereich ist die Kapazi tät des verschmutzten Sensors durch die Taukondensation bestimmt, die sich auf der Oberfläche des Sensorelements bildet. Jede weitere verschmutzungsbedingte Kondensation hört auf. Die Masse des kondensierten Wassers nimmt bei jeder genügend unterhalb des Taupunkts liegenden Temperatur stetig zu. Daher erfolgt in diesem Bereich ein stetiges Anwachsen der Sensorkapazität C _F, auch wenn die Sensortempe ratur variiert.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Taupunkt-Meßanordnung wird dieses unterschiedliche Verhalten eines verschmutzten Sensors bei Temperaturen unterhalb und oberhalb der Taupunkttempera tur zur Bestimmung der dem Taupunkt entsprechenden Sensorka pazität C ₁ ausgenutzt.

Fig. 9 zeigt einen Verschmutzungskompensations-Zyklus, wie er insbesondere bei jeder Inbetriebnahme des Geräts zur Be stimmung des Taupunkt-Kapazitätswerts C ₁ durchgeführt wird. Dieser Zyklus ergibt außerdem auch die Trocken-Kapazität C ₀ des Sensors sowie die Zeitkonstante T _{z 1} des Folgereglers.

Das Diagramm von Fig. 9 zeigt den vom System erzwungenen zeitlichen Verlauf der Sensortemperatur T _F und den dadurch verursachten zeitlichen Verlauf der Sensorkapazität C _F eines völlig mit einem öligen Film verschmutzten Sensors während des Verschmutzungskompensations-Zyklus. Bei einem derart verschmutzten Sensor steigt die Sensorkapazität C _F bereits bei einer Temperatur an, die etwa 60°C oberhalb der Taupunkt temperatur T _P liegt.

Zu Beginn des Verschmutzungskompensations-Zyklus erfolgt beispielsweise ein Aufheizen des Sensors bis auf eine Maxi maltemperatur von 120°C. Das Aufheizen geschieht so lange, bis die Sensorkapazität C _F stabil bleibt, was dann der Fall ist, wenn der Sensor alle Feuchtigkeit abgegeben hat. Dadurch kann die Trockenkapazität C ₀ bestimmt werden. Bei dem darge stellten Beispiel ist die Verschmutzung so stark, daß das Abdampfen des Wassers erst bei einer Sensortemperatur von 120°C völlig erreicht ist. Die Sensorkapazität C _F ist dann auf die Trockenkapazität C ₀= 8,9 pF abgefallen.

Nach dieser Ausheizphase wird der Sensor, ausgehend von der erreichten Höchsttemperatur, mit maximaler Kühlleistung so lange abgekühlt, bis ein erster Anstieg der Sensorkapazi tät C _F zu beobachten ist. Bei dem dargestellten Beispiel erfolgt dieser erste Anstieg bereits bei einem Abfall der Sensortemperatur auf etwa 115°C.

Ab diesem Zeitpunkt erfolgt eine langsamere gestufte Absen kung der Sensortemperatur. Dadurch wird erreicht, daß der entsprechend ansteigenden Sensorkapazität C _F ein stufenweises Ansteigen aufgezwungen wird. Wie anhand von Fig. 8 erläutert wurde, tritt diese verschmutzungsbedingte periodische zeitli che Änderung der Sensorkapazität nur so lange auf, wie die Sensortemperatur oberhalb des Taupunkts liegt. Sobald die Taupunkttemperatur T _P unterschritten wird, weicht die perio dische zeitliche Änderung einem plötzlichen und dann steti gen Anwachsen der Sensorkapazität. Die Sensortemperatur bei diesem Wechsel ist die Taupunkttemperatur T _P, und die bei dieser Temperatur gemessene Sensorkapazität C _F ist der Taupunkt-Kapazitätswert C ₁, der als neuer Kapazitäts-Sollwert gespeichert wird. Bei dem dargestellten Beispiel wird ein Kapazitäts-Sollwert C ₁= 21,8 pF gefunden.

Aus dem Diagramm von Fig. 9 läßt sich die Kennlinie des als Beispiel gewählten verschmutzten Sensors, d.h. die Abhängig keit der Sensorkapazität über der Sensortemperatur ableiten, die in Fig. 10 aufgetragen ist. Aus dieser Kennlinie wird deutlich, daß mit dem beschriebenen Verfahren zur Verschmut zungskompensation der verschmutzungsbedingte Anstieg der Sensorkapazität C _F durch die Wahl von C ₁ ignoriert wird. Ferner bewirkt dieses Verfahren, daß der Sollwert C ₁ genau am Fußpunkt des steilen Kennlinienabschnitts und nicht wesentlich höher zu liegen kommt. Dies ist sowohl für die Dynamik des Systems, das mit dicker werdender Kondensation immer träger wird, als auch für die beschriebene Selbstopti mierung der Regelung vorteilhaft.

Die Anzeige der Sensortemperatur T _A wird während des ganzen Verschmutzungskompensations-Zyklus konstant gehalten und erst nach dem Ende des Zyklus wieder eingeschaltet, wo die Anzeige exponentiell zur neuen Taupunkttemperatur übergeht.

Für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur auto matischen Verschmutzungskompensation ist es wichtig, die Geschwindigkeit der stufenweisen Absenkung der Sensortempe ratur richtig zu wählen.

Durch eine vorteilhafte Maßnahme wird erreicht, daß sich die Absenkgeschwindigkeit von selbst optimal einstellt.

Wie bereits erwähnt wurde, wird nach Beendigung der Ausheiz phase das Peltierelement zunächst so lange mit maximalem Kühlstrom betrieben, bis zum erstenmal ein Anstieg der Sen sorkapazität C _F festgestellt wird.

Nun erfolgt eine stufenweise Verringerung der Sensortempera tur. Zunächst wird die Sensortemperatur (durch Herabsetzung des Sollwerts T _S der Temperaturregelung) um 1°C verringert und dann so lange auf dem neuen Temperaturwert gehalten, bis die Sensorkapazität C _F in einen Sättigungszustand übergeht, was für ein verschmutzungsbedingtes Anwachsen der Sensor kapazität charakteristisch ist. Daraufhin erfolgt wieder eine Verringerung der Sensortemperatur um 1°C usw.

Auf diese Weise passen sich die Stufungsfrequenz und damit die mittlere Absenkgeschwindigkeit von selbst an die jeweils herrschenden Bedingungen so an, daß die periodischen zeit lichen Änderungen des C _F-Wertes als Antwort einwandfrei erkannt und ausgewertet werden können.

Wenn die Sensorkapazität einen Sättigungszustand nicht mehr erreicht, sondern permanent ansteigt, ist dies das Anzeichen dafür, daß die Sensortemperatur den Taupunkt unterschritten hat. Dann wird aus den zuletzt erreichten Werten der Sensor kapazität C _F der neue Sollwert C ₁ bestimmt.

Das Diagramm von Fig. 11 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Temperarturkurve von Fig. 9, der die stufenweise Absenkung der Sensortemperatur deutlicher erkennen läßt, und das Diagramm B von Fig. 11 zeigt die entsprechenden periodi schen zeitlichen Änderungen der Sensorkapazität C _F. In Fig. 11 ist auch dargestellt, wie die Zeitkonstante T _{z 1} aus dem Verlauf der Temperaturkurve im Verschmutzungszyklus ermittelt werden kann.

Die periodischen zeitlichen Änderungen der Sensorkapazität C _F können auch auf andere Weise als durch eine stufenweise Verringerung der Sensortemperatur T _F erzeugt werden. Bei spielsweise kann die Sensortemperatur T _F abwechselnd um 2°C verringert und dann wieder um 1°C erhöht werden, so daß der abfallenden Temperaturkurve eine Temperatur-Oszillation überlagert wird. Dem Anstieg der Sensorkapazität ist dann im Bereich oberhalb der Taupunkt-Temperatur eine entsprechende Oszillation überlagert, die die periodische zeitliche Ände rung ergibt.

Wenn der Sensor keine Verschmutzungen aufweist, treten keine periodischen zeitlichen Änderungen von C _F auf, sondern der erste Anstieg der Sensorkapazität erfolgt erst am Taupunkt und entspricht dem permanenten Anstieg ohne Sättigungserschei nung. In diesem Fall wird der Sollwert C ₁ auf einen Wert gesetzt, der um einen vorgegebenen Betrag größer als der Trocken-Kapazitätswert C ₀ ist, beispielsweise

C ₁=C ₀+0,2 pF.

Schließlich werden am Ende des Verschmutzungsskompensations- Zyklus vorläufige Grobwerte für die Regelparameter K _i, K _p und K _d aufgrund der während des Zyklus beobachteten Kapazi täts- und Temperaturänderungen festgesetzt. Mit diesen groben Regelparametern beginnt dann die normale Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Größe, die jedoch im Normal fall noch Schwingungen ausführen wird, da die gefundenen Regelparameter nur sehr grob dem System angepaßt sind. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen Schwingunganalyse und Selbst optimierung wird das System aber dann aus den Grobwerten für K _p, K _i, K _d und den Parametern P _2R, P _2J der Kapazitäts-Schwin gungen die exakten Regelparameter bestimmen.

Der beschriebene Verschmutzungskompensations-Zyklus wird, wie erwähnt, bei jeder Inbetriebnahme des Geräts durchgeführt und gegebenenfalls in relativ langen Zeitabständen wiederholt.

Claims

1. Verfahren zur Messung des Wasserdampf-Taupunkts in Gasen, bei welchem die Temperatur der Sensorfläche von einem oberhalb der Taupunkttemperatur liegenden Wert abgesenkt wird, eine zur Anzeige der Bildung von Tautröpfchen auf einer Sensorfläche verwendete feuchteabhängige elektrische Größe durch Regelung der Temperatur der Sensorfläche auf einem einer stabilen Taumasse zugeordneten Sollwert gehalten wird und die Temperatur der Sensorfläche gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Absenkung der Temperatur der Sensor fläche eine periodische zeitliche Temperaturänderung über lagert wird, und daß bei gleichzeitigem Auftreten von periodi schen zeitlichen Änderungen der feuchteabhängigen elektri schen Größe der beim Wechsel der periodischen zeitlichen Änderungen zu einer monotonen Änderung gemessene Wert der feuchteabhängigen elektrischen Größe als der Sollwert verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Sensorfläche stufenweise um einen vorge gebenen Betrag herabgesetzt und die periodische zeitliche Änderung der feuchteabhängigen elektrischen Größe bis zum monotonen Anwachsen dieser Größe überwacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stufenweisen Änderungen der Temperatur der Sensorfläche in Abhängigkeit von den Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Größe ausgelöst werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfläche zunächst auf eine oberhalb des Taupunktes des Gases liegende Temperatur solange aufgeheizt wird, bis die feuchteabhängige elektri sche Größe einen konstanten Wert angenommen hat, daß der konstante Wert als Trocken-Wert gemessen wird, daß dann die Temperatur der Sensorfläche stufenweise abgesenkt wird, und daß die Überlagerung der periodischen zeitlichen Temperatur änderungen begonnen wird, wenn die erste Änderung der feuch teabhängigen elektrischen Größe festgestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die feuchteabhängige elektrische Größe eine Kapazität ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelparameter für die Regelung der feuchteabhängigen Größe aufgrund einer Analyse von Schwingungen der feuchteabhängigen elektrischen Größe oder der Sensortemperatur fortlaufend korrigiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Schwingungsanalyse die Schwingungsamplituden bei zwei aufeinanderfolgenden Schwingungsmaxima und der Zeitab stand zwischen diesen Schwingungsmaxima ermittelt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erkennung der Schwingungsmaxima die Vorzeichen der Stei gungen mehrerer aufeinanderfolgender Kurvenabschnitte des Verlaufs der feuchteabhängigen elektrischen Größe oder der Sensortemperatur ausgewertet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein ein mögliches Schwingungsmaximum ankündigender Vorzeichenwechsel zwischen zwei Kurvenabschnitten gespeichert wird und daß bei einem unmittelbar folgenden erneuten Vorzeichenwechsel die Speicherung rückgängig gemacht wird, wogegen beim Ausbleiben eines erneuten Vorzeichenwechsels das Schwingungsmaximum bestätigt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung des Vorzeichenwechsels eine Zählvariable um einen bestimmten Betrag geändert wird, und daß zur Bestäti gung des Schwingungsmaximums die Zählvariable erneut um den gleichen Betrag in der gleichen Richtung geändert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der feuchteabhängigen elek trischen Größe eine PID-Regelung ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Regelung der feuchteabhängigen elektrischen Größe als Regelgröße ein Temperatursollwert erzeugt wird, und daß der Temperatursollwert als Führungsgröße für eine in Kaskade nachgeschaltete Temperaturregelung verwendet wird, deren Regelgröße die Temperatur der Sensorfläche ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die in Kaskade nachgeschaltete Temperaturreglung eine Regelung mit fest eingestellten Regelparametern ist.

14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Taupunkt-Sensor, der ein die Sensorfläche aufweisendes elektrisches Sensorelement, das ein von der feuchteabhängigen elektrischen Größe abhängi ges elektrisches Signal liefert, eine die Temperatur der Sensorfläche beeinflussende elektrische Heiz- und Kühleinrich tung und einen elektrischen Temperatursensor, der ein von der Temperatur der Sensorfläche abhängiges elektrisches Signal liefert, aufweist, und mit einer an den Taupunktsensor ange schlossenen Regelanordnung, die das feuchteabhängige elektrische Signal als Regelgröße empfängt und zu der elektrischen Heiz- und Kühleinrichtung eine Stellgröße liefert, durch die das feuchteabhängige elektrische Signal auf einem Sollwert gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung einen Führungsregler und einen Folgeregler enthält, die in Kaskade angeordnet sind, daß der Führungsregler das feuchte abhängige elektrische Signal als Regelgröße und den Sollwert des feuchteabhängigen elektrischen Signals als Führungsgröße empfängt und ein Temperatursollwertsignal abgibt, daß der Folgeregler das vom Führungsregler gelieferte Temperatursoll wertsignal als Führungsgröße und das vom Temperatursensor gelieferte temperaturabhängige Signal als Regelgröße empfängt und die Stellgröße zu der elektrischen Heiz- und Kühleinrich tung liefert, und daß eine Einrichtung zur Einstellung des Sollwerts der feuchteabhängigen Größe vorgesehen ist, die in gesonderten Verschmutzungskompensations-Zyklen jeweils die Temperatur der Sensorfläche von einem oberhalb der Taupunkt temperatur liegenden Wert absenkt und der Absenkung eine periodische zeitliche Temperaturänderung überlagert, und die bei gleichzeitigem Auftreten von periodischen zeitlichen Änderungen der feuchteabhängigen elektrischen Größe den beim Wechsel dieser periodischen zeitlichen Änderungen zu einer monotonen Änderung gemessenen Wert der feuchtabhängigen elektrischen Größe bis zum nächsten Verschmutzungskompensa tions-Zyklus als Sollwert ausgibt.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsregler ein PID-Regler ist, dessen Regelpara meter aufgrund der Schwingungsanalyse korrigiert werden, und daß der Folgeregler ein Regler mit fest eingestellten Regel parametern ist.

16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich net, daß der Führungsregler und der Folgeregler durch einen Mikrocomputer gebildet sind, der auch die Einstellung des Sollwerts der feuchteabhängigen elektrischen Größe sowie die Schwingungsanalyse und die Korrektur der Regelparameter durchführt.