DE3936138C2

DE3936138C2 - Kalibrierverfahren zur Messung der relativen Konzentration von Gas oder Dampf

Info

Publication number: DE3936138C2
Application number: DE3936138A
Authority: DE
Inventors: Pekka Belt; Lars Strombom
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1988-11-02
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2009-10-31
Also published as: US5033284A; GB2224578A; JPH02171647A; FI885062A; GB2224578B; DE3936138A1; JP2758458B2; FI82554C; FR2640381B1; FI885062A0; GB8924700D0; FR2640381A1; FI82554B

Description

Die Erfindung betrifft ein Kalbibrierverfahren zum Messen der relativen Konzentration eines Gases oder eines Dampfes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In diesem Zusammenhang will sich die relative Konzentration eines Gases oder eines Dampfes verstanden wissen als das Verhältnis, das sich aus der absoluten Konzentration des Gases dividiert durch die Konzentration des Gases bei seinem Sättigungsniveau ergibt. Herkömmlicherweise wird die rela tive Konzentration z. B. benutzt, um die Wasserdampfkonzen tration (relative Feuchtigkeit) festzulegen.

Die grundlegenden Charakteristiken einer Meßanordnung werden durch ihre Zuverlässigkeit und durch ihre Genauigkeit bestimmt. Zur Überprüfung dieser Größen sind verschiedene Kalibrierverfahren notwendig.

Eine ideale Lösung für Feldkalibrationen wäre eine Art von automatischer Selbstkalibrierung. Die Verwirklichung einer solchen Art von Selbstkalibrierung wäre jedoch für die meisten Parameter extrem kompliziert.

Gegenwärtig werden die meisten Meßinstrumente zum Messen der relativen Konzentration von Gasen und Dämpfen unter defi nierten Labor-Bedingungen kalibriert.

In der EP-A-0282900 ist ein Verfahren zur Messung ei nes Taupunktes beschrieben, welches unter Zuhilfenahme ei ner automatischen Nullpunktkorrektur durchgeführt wird.

Aus der GB-2011093 A ist eine Vorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit unter Verwendung eines elektrisch arbei tenden Feuchtigkeitssensors bekannt, dessen feuchtigkeitssensitiver Teil ein organisches Polymer ist, welches bis oberhalb der Umgebungstemperatur erhitzt wird und deren Kapazitätsänderung nachgewiesen wird.

Aus der DE 31 40 875 A1 ist ein Verfahren zur automati schen Kalibrierung von Meß- und Anzeigegeräten bekannt, welches zur Bestimmung von Partialdrücken herangezogen wird. Das Kalibrierverfahren erfolgt dadurch, daß an Meß aufnehmern angelegte Polarisationsspannungen verändert wer den und die dazugehörigen Strom-Ist-Werte gemessen bzw. ge speichert werden.

Ein Nachteil von beispielsweise oben genannten bzw. anderen gegenwärtigen Technologien liegt in den unpraktischen Kalibrierverfahren, die zu langen Kalibrierin tervallen führen. Dies führt zusätzlich zu ungenauen Messun gen, da Meßgeräte für relative Konzentrationen von Natur aus instabil sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vor richtung und ein Verfahren bereitzustellen, das die eben erwähnten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist sowie ein vollständig neues Kalibrierverfahren für die Mes sung der relativen Konzentration eines Gases oder eines Dampfes bereitzustellen.

Die Erfindung basiert auf der Messung der Temperatur des Sensorelementes, das die relative Konzentration eines Gases oder eines Dampfes mißt, während die Temperatur des Sensor elementes von der Umgebungstemperatur abweicht, um so unzweideutige Kalibrierpunkte bereitzustellen. Diese Vorge hensweise stellt definierte Kalibrier-Bedingungen für die zu messenden Parameter bereit und/oder ändert diese Bedingungen, um zusätzliche Informationen für die zu messenden Parameter zu erhalten.

Genauer wird das Kalibrierverfahren in Übereinstimmung der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale des Anspruches 1 beschrieben.

Die jeweiligen Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Die Erfindung erleichtert die automatische Kalibrierung bei Konzentrationsmessungen von kondensierenden Gasen (z. B. Wasserdampf). Das Verfahren erlaubt es des weiteren, eine genaue und schnelle Kalibrierung unter Feldbedingungen durchzuführen, ohne den Gassensor vom Meßraum zu entfernen. Die verkürzten Kalibrierintervalle tragen wesentlich dazu bei, die Meßgenauigkeit des relativ unstabilen Sensors bei der Messung von z. B. relativer Feuchtigkeit zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil liegt in der sehr wünschenswerten Verlänge rung der benötigten Serviceintervalle.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile einer Ausführungsform ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung.

Es zeigt:

Fig. 1 in einem Diagramm den Partialdruck von gesättigtem Wasserdampf als Funktion der Temperatur;

Fig. 2 einen Sensoraufbau in Übereinstimmung mit dem Kali brierverfahren der Erfindung.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß die Tem peratur ein Parameter ist, der selbst unter Feldbedingungen leicht zu messen und leicht zu justieren ist sowie die Tat sache, daß sich die relative Konzentration eines kondensie renden Gases sich mit der Temperatur ändert solange der Par tialdruck des Gases konstant bleibt.

Ein für kondensierendes Gas empfindlicher Sensor spricht typischerweise auf die relative Konzentration des zu messenden Gases mehr an, als auf die absolute Konzentration.

In diesem Fall kann die relative Konzentration des zu messenden Gases wie folgt definiert werden:

u = P_gas/P_S(T) (1)

wobei
P_gas = Partialdruck des zu messenden Gases
P_s(T) = Partialdruck des zu messenden Gases bei Sättigung (als Funktion der Temperatur)

Wenn die Antwortfunktion des Sensors den Typ:

V = f (u) (2)

aufweist, dann kann die Änderung der Sensortemperatur (durch Erhitzen oder Kühlen) dazu verwendet werden, einen Wechsel der relativen Gaskonzentration, die durch den Sensor detektiert wird, zu beeinflussen. Z. B. kann der Sensor zunächst auf die Kondensationstemperatur des Gases heruntergekühlt werden (was zur Folge hat, daß die Aktivität a = 1 wird), um dann ausreichend erwärmt zu werden, um eine sehr geringe Aktivität zu erhalten (wodurch a ungefähr gleich 0 wird). Diese zwei Kalibrierpunkte können dann verwendet werden, um eine zwei-Punkt-Kalibrierung für den Sensor durchzuführen. Wenn nötig, können mehrere Temperaturniveaus für die Kalibration verwendet werden wodurch die Linearität des Sensors vermessen werden kann.

In Fig. 1 ist der Partialdruck eines gesättigten Wasser dampfes als Funktion der Temperatur dargestellt.

Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist der Partialdruck des, gesättigten Gases in guter Näherung exponentiell von der Temperatur abhängig.

In der beispielhaften Situation ist die Umgebungstemperatur als 20°C bei einer relativen Feuchtigkeit von 50% angenommen (was einer relativen Aktivität von 0,5 entspricht). Bei die sen Werten beträgt der sich ergebende Partialdruck des Wasserdampfes ungefähr 11,7 hPa. Wenn zum Beispiel ein abso luter Meßfehler von 5% angenommen wird, würde das Meßinstru ment 55% relative Luftfeuchtigkeit anzeigen. Dies hätte zur Folge, daß ein Partialdruck des Wasserdampfes, der aus der Anzeige und dem Umgebungsdruck errechnet werden würde, scheinbar ungefähr 12,9 hPa betragen würde. Anschließend wird der Sensor der Meßanordnung auf eine Temperatur von z. B. 100°C erwärmt, was zur Folge hat, daß die relative Feuchtigkeit, die dem Sensor ausgesetzt ist auf 1,2% fällt. Unter Berücksichtigung des absoluten Fehlers des Sensors wird die Anzeige dann 6,2% betragen. Das Errechnen der relativen Feuchtigkeit für dieselbe Situation auf Grundlage der ersten Anzeige (55% relative Feuchtigkeit, 20°C, errechneter Partialdruck 12,9 hPa) führt zu 1,3% relative Feuchtigkeit bei 100°C Temperatur. Auf Grundlage dieser beiden Messungen wird die Selbstkalibriervorrichtung befähigt, ihre Anzeige um 4,9% Einheiten nach unten zu korrigieren. Der beispielhafte Fall, in dem der Sensor auf eine Temperatur von 100°C erwärmt wird, sollte nur als eine beispielhafte Möglichkeit verstanden werden. Ein wesentlicher Punkt ist, daß der Sensor ausreichend, d. h. um beispielsweise wenigstens 60 K, über die Umgebungstemperatur erwärmt wird.

Im nachfolgenden wird ein Kalibrieralgorithmus für einen relativen Feuchtigkeitssensor beschrieben. Die gemachten Annahmen sind:

Die Antwort des Sensors kann durch die Gleichungen:

u = (C - C₀)/a (3)

u = P_w/P_s (T)

beschrieben werden, wobei
P_w = Partialdruck des Wasserdampfes
P_s(T) = Partialdruck des gesättigten Wasserdampfes bei der Temperatur T
ist.

1. Die Antwort des Sensors wird zuerst bei der Umgebungs temperatur T₁ gemessen:C₁ = C₀ + a.P_w/P_s(T₁)
2. Der Sensor wird dann solange gekühlt, bis er den Tau punkt in bestimmter Art und Weise erreicht hat und wobei die Antwort gemessen wird:C₂ = C₀ + a
3. Der Sensor wird dann auf eine Temperatur T₂ über die Umgebungstemperatur erwärmt und seine Antwort wird gemessen:C₃ = C₀ + a.P_w/P_s(T₂)
4. Der maßgebliche Partialdruck des Wasserdampfes kann dann erhalten werden durch:
5. Die Komponente C₀ kann dann unter Zuhilfenahme des maß geblichen Partialdruckes des Wasserdampfes erhalten wer den:
6. Die Sensorempfindlichkeit a erhält man dann zu:a = C₂ - C₀ (6)

Auf ähnliche Art und Weise kann das Sensorverhalten bestimmt werden, wenn eine andere Modellfunktion verwendet wird, z. B. eine logarithmische oder eine Polynomfunktion höherer Ordnung, die ein besseres Anpassen an die Antwort des Sen sors erlaubt.

Eine mehr verallgemeinerte Näherung wird verwendet, wenn man die Sensorantwort als:

beschreibt, aus der ein Satz von n + 1 Messungen bei verschie denen Temperaturniveaus zu einem Satz von n + 1 Gleichungen führt:

Dieser Satz von Gleichungen kann dann zur Lösung sowohl der Koeffizienten a als auch des maßgeblichen Partialdruckes P_w verwendet werden.

In Fig. 2 ist eine mögliche Verwirklichung der heizba ren/kühlbaren Sensorkonstruktion dargestellt.

Die Figur stellt einen Gassensor 1 und einen Temperatursen sor 3 dar, die beide durch z. B. Ankleben auf die ebene Oberfläche eines Peltier-Elementes 2 aufgeklebt sind, das aus Barren-Elementen einer abwechselnd gewundenen Form be steht. Die Sensoren 1 und 3 sind mit der Elektronik des Meß schaltkreises durch Leiter 4 verbunden. Das Peltier-Element ist entsprechend mit dem Leiter 5 verbunden. Ein wesentli ches Kennzeichen ist, den Gassensor 1 in der Nähe des Temperatursensors 3 zu plazieren, um die höchstmögliche Ge nauigkeit bei der Messung von Temperatureninformationen zu erhalten. Der Gassensor 1 kann z. B. vom Typ des sogenannten Humicap-Sensors sein, der z. B. in den finnischen Patentanmeldungen 824393 und 824392 beschrieben ist. Dementsprechend kann der Temperatursensor 3 ein beliebiger, kommerziell erhältlichen Temperatursensor sein, z. B. ein Festkörperhalbleitersensor oder ein Widerstandsensor. Typischerweise wird als Temperatursensor ein Widerstand- Platinsensor verwendet. Das Verbinden eines Stromes mit dem Peltier-Element 2 erlaubt ein Anheben oder ein Senken der Sensortemperatur, je nach der gewählten Richtung des Stromes.

Das Kalibrierverfahren ist ebenso anwendbar bei der Messung von z. B. Alkohol oder Ammoniak, wenn das aktive Sensormate rial in erster Näherung in seinem Antwortverhalten mehr von der relativen Konzentration des Gases abhängig ist als von der absoluten Konzentration.

Claims

1. Ein Kalibrierverfahren für die Messung der relativen Konzentration eines Gases oder Dampfes, bei dem

1. - ein Sensor (1) kontrollierten Bedingungen ausgesetzt wird, in denen wenigstens ein Kalibrierpunkt festge legt ist, und
2. - die Antwort des Sensors (1) auf die relative Konzen tration des zu messenden Gases oder Dampfes unter Zuhilfenahme des vorherbestimmten Kalibrierpunktes errechnet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. - am aktuellen Meßplatz aufeinanderfolgende und wenig stens ungefähr simultane Messungen von der Tempe ratur des Sensors (1) als auch der relativen Konzen tration des Gases oder Dampfes durchgeführt werden, und
2. - die Temperatur des Sensors (1) so schnell von der Umgebungstemperatur verändert wird, daß der Partial druck des zu messenden Gases oder Dampfes als am Meßplatz wenigstens ungefähr konstant verbleibend angenommen werden kann, und die Resultate der Messungen, die bei verschiedenen Temperaturenniveaus durchgeführt werden, dazu verwendet werden, um einen Korrekturfaktor für die Kalibrierung des Sensors zu errechnen.

2. Kalibrierverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß für die Festlegung des Kalibrierpunktes für 100% relative Konzentration der Sensor (1) bis zu einer so niedrigen Temperatur heruntergekühlt wird, bei der das Gas oder der Dampf kondensiert.

3. Kalibrierverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß um einen Kalibrierpunkt bei niedrigen relativen Konzentrationen festzulegen, der Sensor (1) vorzugsweise um 60 K, über die Umgebungstemperatur erwärmt wird.

4. Kalibrierverfahren nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturänderung des eingesetzten Sensors durch ein Peltier-Element geschieht.