DE60313181T2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung eines phasenübergangs einer substanz - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Phasenübergangs einer Substanz.
  • Aus der US Patentveröffentlichung 4 579 462 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes eines Gases bekannt. Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der Wasserdampf aus einem Wasserdampf enthaltenden Gas kondensiert. Die Veröffentlichung '462 beschreibt, dass das Gas entlang einer Oberfläche eines thermisch leitfähigen Körpers geleitet wird, während die Temperatur des "Körpers geändert wird, um ein Kondensat an der Oberfläche des thermisch leitfähigen Körpers zu bilden. Dann wird der Wärmefluss entlang der Oberfläche bestimmt. Wenn der Wärmefluss eine vorgegebene Größe hat, ist der Taupunkt erreicht und wird die zu dem Taupunkt gehörige Temperatur betimmt.
  • Die Veröffentlichung '462 beschreibt eine Ausführungsform mit zwei Wärmeflussmessern, die benachbart einer Wärmesenke angeordnet sind. Mittels eines Kühlelements und einer Wärmequelle kann die Temperatur der Wärmeflussmesser variiert werden, so dass der Taupunkt bestimmt werden kann. Hier wird ein erster der Wärmeflussmesser auf einer etwas höheren Temperatur als ein zweiter der Wärmeflussmesser gehalten, indem der zweite Wärmeflussmesser über einen thermischen Widerstand mit dem ersten Wärmeflussmesser verbunden ist. Aufgrund der Temperaturdifferenz erreicht einer der Wärmeflussmesser den Taupunkt vor dem anderen Wärmeflussmesser. Aus dem zusammengesetzten Signal der beiden Wärmeflussmesser kann das Erreichen des Taupunktes abgeleitet werden. Die zu dem Taupunkt gehörige Temperatur wird unter Verwendung eines Thermometers an dem Wärmeflussmesser gemessen, an dem der Wasserdampf zuerst kondensiert.
  • Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung und des bekannten Verfahrens besteht darin, dass der Phasenübergang und/oder die zu dem Phasenübergang gehörige Temperatur nicht ausreichend genau bestimmt werden können. Dies liegt daran, dass aufgrund des thermischen Widerstandes, der die beiden Wärmeflussmesser verbindet, der zweite Wärmeflussmesser langsam auf Veränderungen in dem Wärmefluss reagiert. Deshalb werden schnelle Änderungen im Wärmefluss, zum Beispiel aufgrund einer schnellen Konvensation, nicht detektiert.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil auszuräumen. Zu diesem Zweck schafft die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1.
  • Ein Verfahren gemäß der Erfindung kann zur genauen Bestimmung eines Phasenübergangs und/oder der zu dem Phasenübergang gehörigen Temperatur verwendet werden, weil die Schnelligkeit, mit der die Wärmeflussmesser reagieren können, nicht durch einen thermischen Widerstand außerhalb des Wärmeflussmessers begrenzt ist.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 8. Eine solche Vorrichtung kann schnell auf Veränderungen im Wärmefluss reagieren und daher den Taupunkt genau bestimmen.
  • Es wird bemerkt, dass aus der europäischen Patentveröffentlichung 0 542 582 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Taupunkts bekannt sind, die dem Verfahren und der Vorrichtung, wie sie aus der oben erwähnten US-Veröffentlichung bekannt sind, entsprechen. Daher haben das Verfahren und die Vorrichtung, wie sie aus dieser '582 Veröffentlichung bekannt sind, die Nachteile, die mit der aus '462 bekannten Vorrichtung und dem daraus bekannten Verfahren verbunden sind.
  • Spezielle Ausführungsformen der Erfindung sind in den anhängigen Ansprüchen aufgeführt. Weitere Einzelheiten, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren diskutiert, in denen
  • 1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 2 eine erste Simulation der zeitlichen Entwicklung der Temperatur der kondensierenden Oberflächen, der Taupunkttemperatur, die unter Verwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung bestimmt ist, und der Differenz im Wärmefluss zwischen den kondensierenden Oberflächen bei einer sinusförmigen Variation der Erwärmung der kondensierenden Oberfläche einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 3 eine erste Simulation der zeitlichen Entwicklung der Temperatur der kondensierenden Oberflächen, der Taupunkttemperatur, die, unter Verwendung eines Verfahrens gemäß der Erfindung bestimmt ist, und der Differenz im Wärmefluss zwischen den kondensierenden Oberflächen bei einer sägezahnförmigen Variation der Erwärmung der kondensierenden Oberfläche einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 4 schematisch eine Draufsicht eines zweiten Beispiels einer Ausführungsform einer Vorrichtung zeigt;
  • 5 schematisch eine Seitenansicht eines dritten Beispiels einer Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
  • 6 schematisch ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Verfahrens gemäß der Erfindung zeigt.
  • 1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 1, auf die nachfolgend als "Sensor" Bezug genommen wird, weist ein Kühlelement 2 auf. Zwei Wärmeflussmesser 310, 320 sind in thermischem Kontakt mit dem Kühlelement 2. In dem dargestellten Beispiel sind die Wärmeflussmesser 310, 320 auf der oberen Oberfläche 21 des Kühlelements 2 angeordnet. Eine Steuerschaltung 5 ist zum Datenaustausch mit den Wärmeflussmessern 310, 320 und dem Kühlelement 2 verbunden. Die Vorrichtung befindet sich in einem Raum, der mit einem Gas gefüllt ist, dessen Taupunkt bestimmte werden soll.
  • In dem dargestellten Beispiel sind die Wärmeflussmesser identisch, und haben die Wärmeflussmesser 310, 320 jeweils eine kondensierende Oberfläche 311, 321. Die kondensierenden Oberflächen sind aus einem thermisch gut leitfähigem Material und stehen in direktem Kontakt mit dem Gas. Wenn die kondensierenden Oberflächen eine Temperatur haben, die dem Taupunkt des Gases entspricht oder niedriger als der Taupunkt ist, kondensiert Wasserdampf an den kondensierenden Oberflächen. Wegen der Kondensation des Wasserdampfs wird Wärme aus dem Gas freigesetzt. Der Wärmefluss aus dem Gas kann detektiert werden, so dass der Moment, indem der Taupunkt erreicht wird, bestimmt werden kann. Auf jeder der kondensierenden Oberflächen 311, 321 befindet sich ein Temperatursensor 313, 323, der die Temperatur der jeweiligen Oberfläche messen kann, so dass durch Messen der Temperatur bei oder nahe dem Moment des Erreichens des Taupunktes die Taupunkttemperatur bestimmt werden kann. Die kondensierenden Oberflächen 311, 321 haben jeweils ein elektrisches Heizelement 312, 322. Die Heizelemente 312, 322 werden durch die Steuerschaltung 5 über eine Kommunikationsverbindung, dargestellt durch gepunktete Linien, mit einem Signalgenerator 51 gesteuert.
  • Die obere Oberfläche 21 des Kühlelements 2 wird durch das Kühlelement 2 gekühlt, so dass die Temperatur der oberen Oberflä che im Wesentlichen konstant ist. In dem dargestellten Beispiel wird die Temperatur der oberen Oberfläche 21 durch das Kühlelement 2 unter der minimalen Taupunkttemperatur gehalten. In dem dargestellten Beispiel ist das Kühlelement so eingestellt, dass die Kontaktoberfläche der Wärmeflussmesser 310, 320 bei einer Temperatur von 20°C durch das Kühlelement 2 gehalten wird. Das Kühlelement 2 ist mit einer Kühlsteuereinrichtung 52 in der Steuerschaltung 5 verbunden. Durch einen Steuereingang 58 kann die Kühlsteuereinrichtung 53 eingestellt werden oder mit anderen elektronischen Komponenten verbunden sein.
  • Es ist auch möglich, das Kühlelement dazu zu verwenden, um die Temperatur der oberen Oberfläche zu variieren, wobei die Heizelemente dann zusätzlich die variable Kühlung der oberen Oberfläche regeln. Das Kühlelement wirkt dann als eine grobe Temperaturregelung für die kondensierenden Oberflächen, die durch die Heizelemente verfeinert wird.
  • Die Heizelemente 312, 322 der kondensierenden Oberflächen 311, 321 werden durch die Steuerschaltung 5 gesteuert. Der Signalgenerator 51 umfasst einen Oszillator 56, der ein sinusförmiges Signal liefert. Ein erster Ausgang des Oszillators 56 ist mit dem ersten Heizelement 312 verbunden. Ein zweiter Ausgang des Oszillators 56 ist mit dem zweiten Heizelement 322 über einen Phasenschieber 55 verbunden. Aufgrund des Phasenschiebers wird das zweite Element 312 in der gleichen Weise wie das erste Element, aber phasenverschoben gesteuert.
  • Aufgrund der Phasenverschiebung beim Kühlen oder Heizen der Oberflächen erreicht eine der beiden kondensierenden Oberflächen den Taupunkt vor der anderen kondensierenden Oberfläche. Dies verändert das Differenzsignal zwischen den gemessenen Wärmeflüssen, so dass der Taupunkt bestimmt werden kann. Mit einer kleinen Phasenverschiebung ist das Differenzsignal klein, aber es wird bei Erreichen des Taupunktes eine relativ große Änderung zeigen, so dass der Taupunkt einfach detektiert werden kann.
  • In dem dargestellten Beispiel wird die von den Heizelementen erzeugte. Leistung durch die Steuerschaltung 5 gesteuert, so dass die Temperaturen der kondensierenden Oberflächen zwischen der minimalen und der maximalen Taupunkttemperatur variieren. In dem Beispiel aus 1 ist die von den Heizelementen 312, 322 erzeugte Leistung im Betrieb so eingestellt, dass die Temperatur der kondensierenden Oberflächen 311, 321 zwischen 20°C und 90°C variiert.
  • In dem Beispiel in 1 sind die Wärmeflussmesser mit einer Differenzschaltung 52 verbunden, die das Differenzsignal bestimmt und es mit einer vorgegebenen, mit dem Taupunkt verbundenen Eigenschaft des Differenzsignals vergleicht. Zum Bestimmen der Taupunkttemperatur sind die Temperatursensoren 313, 323 mit einem Thermomesselement 54 verbunden. Die Thermoschaltung 54 kann von der Differenzschaltung so gesteuert werden, dass sie, bei Erreichen des Taupunktes, ein die Taupunkttemperatur repräsentierendes Signal automatisch an einem Anschluss 59 bereitgestellt, der mit der Thermoschaltung verbunden ist. Die Differenzschaltung 52 ist auch mit einem Anschluss 57 verbunden, um in dem Moment, zu dem der Taupunkt erreicht wird, ein Signal bereitzustellen. Der Anschluss 57 kann zum Beispiel mit einer Signaleinrichtung verbunden sein, um ein für Menschen wahrnehmbares Signal zu geben, so dass, bei Erreichen des Taupunktes, eine Bedienungsperson, beispielsweise bei einem Backvorgang, wahrnehmen kann, dass der Taupunkt erreicht worden ist.
  • 2 zeigt eine Simulation der Temperaturen Tplatte1, Tplatte2 der kondensierenden Oberflächen 311, 321, der Taupunkttemperatur Ttau und der Differenz dQ im Wärmefluss zwischen den kondensierenden Oberflächen bei einer sinusförmigen Variation der Heizleistung der Heizelemente 312, 322. Die Temperatur der kondensierenden Oberflächen variiert also sinusförmig mit einem Maximum von 57° und einem Minimum 47°C. Die Taupunkttemperatur Ttau ist auch gezeigt. Die Taupunkttemperatur Ttau zeigt einen schrittweisen Anstieg. Zwischen den Zeitpunkten von 0 und 17 Sekunden beträgt die Taupunkttemperatur 50°C, zwischen den Zeitpunkten 17 und 38 Sekunden beträgt sie 54°C, zwischen Zeitpunkten 38 und 54 Sekunden beträgt sie 59°C und nach 54 Sekunden beträgt sie 44°C.
  • In der Simulation ist die sinusförmige Variation derart, dass in dem Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten 0 Sekunden und 38 Sekunden die Tautemperatur zwischen der minimalen und maximalen Temperatur der kondensierenden Oberflächen liegt. In dem Zeitintervall zwischen 38 Sekunden und 54 Sekunden liegt die Taupunkttemperatur oberhalb der maximalen Temperatur der kondensierenden Oberflächen, während nach 54 Sekunden die Taupunkttemperatur unter der minimalen Temperatur der kondensierenden Oberflächen ist.
  • Wie in 2 dargestellt zeigt die Wärmeflussdifferenz dQ einen Verlauf mit kurvenförmigen Spitzen, wenn die Taupunkttemperatur zwischen der minimalen und maximalen Temperatur der Oberflächen liegt; mit anderen Worten zeigt die Wärmeflussdifferenz dQ bei Erreichen der Taupunkttemperatur eine stufenartige Veränderung. Wenn die Taupunkttemperatur oberhalb der maximalen Temperatur der Oberflächen liegt, zeigt die Wärmeflussdifferenz dQ eine sinusförmige Kurve mit einer großen Amplitude, während die Wärmeflussdifferenz praktisch konstant ist, in 2 im Wesentlichen 0, wenn die Taupunkttemperatur unter der minimalen Temperatur der Oberflächen liegt, und kann beispielsweise wie in Fig. eine periodische, sinusförmige Kurve mit einer sehr kleinen Amplitude zeigen.
  • Mit einer sinusförmigen Variation der Heizung kann somit einfach festgestellt werden, ob die Taupunkttemperatur oberhalb, zwischen oder unterhalb der Temperaturvariation der kondensierenden Oberflächen liegt, indem die Form des Differenzsignals bestimmt wird. Zum Beispiel kann mittels einer Fourietransformation untersucht werden, ob das Wärmeflussdifferenzsignal viele Frequenzkomponenten aufweist und der Taupunkt folglich innerhalb der Temperaturvariation liegt, wie es in diesem Beispiel zwischen den Zeitpunkten 0 und 38 Sekunden der Fall ist. Wenn demgegenüber das Differenzsignal im Wesentlichen nur eine Frequenzkomponente aufweist, liegt die Taupunkttemperatur außerhalb der Temperaturvariation der kondensierenden Oberflächen, wie in 2 zwischen 38 Sekunden und 80 Sekunden der Fall ist. Wenn die Taupunkttemperatur außerhalb der Temperaturvariation liegt, kann durch Untersuchung der Amplitude des Differenzsignals festgestellt werden, ob die Taupunkttemperatur oberhalb oder unterhalb des Temperaturbereichs liegt.
  • Bei einer sinusförmigen Variation, wie in 2, kann als Eigenschaft des zu dem Taupunkt gehörigen Differenzsignals auf das Vorhandensein von scharfen Spitzen oder stufenartigen Übergängen in dem Differenzsignal abgestellt sein, so wie vor und zu dem Zeitpunkt 10 Sekunden in 2.
  • 3 zeigt eine Simulation der Temperatur der kondensierenden Oberflächen 311, 321, der Wärmeflussdifferenz und der Taupunkttemperatur als Funktion der Zeit bei einer sägezahnförmigen Variation der Heizung. Dann ist die Wärmeflussdifferenz dQ konstant, mit einem pulsförmigen Ausschlag bei Erreichen des Taupunkts, wie in der Figur um die Zeitpunkte 10, 20, 30 Sekunden gezeigt. Bei einer sägezahnförmigen Variation der Heizung kann der Taupunkt zum Beispiel durch einen Pulsdetektor mit einer Schwelle bestimmt werden. Die Schwelle kann dann auf die Größe der konstanten Komponente der Wärmeflussdifferenz eingestellt werden; in 3 beträgt sie etwa 4,5 Milliwatt.
  • Das Beispiel eines in 4 gezeigten Sensors 11 weist einen Wärmeflussmesser 300 auf, der von einem Kühlelement 2 gekühlt wird. Zu diesem Zweck ist in dem gezeigten Beispiel der Wärmeflussmesser 300 auf der Oberseite des Kühlelements 2 befestigt. Der Wärmeflussmesser 300 hat eine kondensierende Oberfläche 301 an seiner oberen Seite entfernt von dem Kühlelement 2, deren Temperatur durch einen Temperatursensor 303 gemessen werden kann. Die Temperatur der kondensierenden Oberfläche kann variiert werden, indem unter Verwendung einer elektrischen Heizung 302 der Oberfläche 301 Wärme zugeführt wird. Der Wärmeflussmesser ist zur Datenübertragung mit einem Schaltungseingang 501 einer signalprozessierenden Schaltung 500 verbunden. Durch diese Verbindung kann der Wärmeflussmesser 300 ein den gemessenen Wärmefluss repräsentierendes Signal zu der signalprozessierenden Schaltung 500 übertragen. Die Heizung 302 wird durch einen Heizregler 505 in der signalprozessierenden Schaltung 500 mit einem sägezahnförmigen Signal gesteuert, so dass die der Oberfläche 301 zugeführte Leistung auch eine sägezahnförmige Variation hat.
  • Die signalprozessierende Schaltung 500 weist ein phasenverzögerndes Element 502 auf, dessen Eingang mit dem Schaltungseingang 501 verbunden ist. Der Ausgang des phasenverzögernden Elements 502 ist mit einem negativen Eingang der Differenzschaltung 503 verbunden. Ein positiver Eingang der Differenzschaltung 503 ist direkt mit dem Schaltungseingang 501 verbunden. Auf diese Weise bestimmt die Differenzschaltung 503 die Differenz zwischen dem Signal von dem Wärmeflussmesser und einem phasenverschobenen Signal. Das Differenzsignal wird von einem Ausgang der Differenzschaltung 503 einer Detektionsschaltung 504 zugeführt. In dem dargestellten Beispiel kann die Differenzschaltung eine einfache Subtraktionsoperation ausführen, das Differenzsignal kann jedoch auch auf andere Weise bestimmt werden, zum Beispiel mittels eines Korrelationsverfahrens.
  • Die Detektionsschaltung 504 kann das Vorhandensein von Sprüngen in dem Frequenzsignal bestimmen. Wie oben erläutert worden ist, tritt bei einem Phasenübergang ein Sprung im Differenzsignal auf, so dass der Phasenübergang detektiert werden kann. Die Temperatur der kondensierenden Oberfläche 301 zum Zeitpunkt des Phasenübergangs kann unter Verwendung des Temperatursensors 303 bestimmt werden, so dass die Temperatur des Phasenübergangs gemessen werden kann.
  • 5 zeigt ein drittes Beispiel einer Ausführungsform einer Vorrichtung oder eines Sensors gemäß der Erfindung. Der Sensor 12 umfasst ein Kühlelement 2, das thermisch in Kontakt mit zwei Wärmeflussmessern 330, 340 ist. Zwischen den Wärmeflussmessern 330, 340 und dem Kühlelement 2 befindet sich ein thermisch leitfähiger Träger 335. Der thermisch leitfähige Träger 335 kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt werden, zum Beispiel aus Aluminium. Die Wärmeflussmesser 330, 340 haben jeweils kondensierende Platten 331, 341 an der Seite entfernt von dem Träger 335, wobei die Platten aus einem geeigneten Material, wie zum Beispiel einem Metall, bestehen. Die kondensierenden Platten 331, 341 sind beide mit einem Heizelement 332, 342 versehen. Zwischen der kondensierenden Platte 331 beziehungsweise 341 und dem Träger 335 weist jeder Wärmeflussmesser 330, 340 ein Kupfer-Konstantan-Wärmesäulenband 334, 344 eingebettet in HT-Epoxid auf. Die Verwendung eines solchen Thermosäulenbandes in einem Wärmeflussmesser ist an sich bekannt aus H. Blokland, F. de Graaf, "Sensor for measuring convective and radiative hegt flux", TEMPMEKO 2001. Auf dem thermisch leitfähigen Träger 335 ist ein Temperatursensor 333 vorhanden, der die Temperatur des Trägers misst.
  • Über die Thermosäulenbänder 334, 344 tritt bei Vorhandensein einer Temperaturdifferenz zwischen den kondensierenden Platten 331 beziehungsweise 342 und dem thermisch leitfähigen Träger 335 ein Spannungsabfall auf. Ausgehend von der elektrischen Spannung über die Thermosäulenbänder kann die Temperatur auf den kondensierenden Platten 331, 341 abgeleitet werden, indem die Temperaturdifferenz zwischen dem Träger 335 und der jeweiligen kondensierenden Platte 331 beziehungsweise 341 bestimmt wird und diese Temperaturdifferenz mit der Temperatur des Trägers 335 kombiniert wird.
  • In dem Beispiel aus 5 ist der thermisch leitfähige Träger als ein Aluminiumstreifen von 10 mm mal 20 mm mal 3 mm. Die kondensierenden Platten sind aus Metall, in dem dargestellten Beispiel aus Aluminium, aber es sind auch andere Materialien möglich, wie zum Beispiel thermisch gut leitfähige Materialien wie Kupfer, Gold, Silber oder dergleichen. Die kondensierenden Platten haben Abmessungen von 10 mm mal 10 mm mal 3 mm. Die Wärmeflussmesser haben einen Durchmesser von 6 mm und eine Dicke von 0,5 mm.
  • Das Kühlelement kann von irgendeiner geeigneten Art sein. Das Kühlelement kann zum Beispiel als Peltier-Element, als Leiter für eine extern gekühlte Flüssigkeit oder als Schmelzmaterial gestaltet sein, das einen Schmelzpunkt unterhalb der zu messenden Taupunkttemperatur hat.
  • Die Beispiele der Vorrichtungen gemäß der Erfindung wie sie oben beschrieben worden sind, sind besonders geeignet zum Bestimmen des Taupunkts eines Gases. In Kombination mit der Temperatur des Gases kann die Taupunkttemperatur dazu verwendet werden, um die relative Feuchtigkeit des Gases zu bestimmen. Die relative Feuchtigkeit ist ein wichtiger Parameter in vielen industriellen Prozessen, wie zum Beispiel beim Backen von Gebäck oder bei der Herstellung von Keramikmaterialien. Für einen optimalen Vorgang muss die relative Feuchtigkeit so gut wie möglich gemessen und/oder eingestellt werden. Mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können der Taupunkt und/oder die Taupunkttemperatur mit großer Genauigkeit bestimmt werden, so dass die relative Feuchtigkeit ebenfalls genau bestimmt werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Bestimmung des Taupunktes beschränkt, sondern kann auch dazu angewendet werden, um Phasenübergänge bei anderen Anwendungen festzustellen, zum Beispiel die Kondensation von Gasen, die Verdampfung von Flüssigkeiten oder das Schmelzen oder Verfestigen von Materialien.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 600 wird zu einem Zeitpunkt t der Wärmefluss von der Substanz gemessen, deren Phasenübergang detektiert werden soll. Die Messung führt zu einem ersten Messsignal q0 (t). In einem zweiten Schritt 610 wird ein phasenverschobenes Messsignal qτ erzeugt. Das phasenverschobene Messsignal hat eine Phasendifferenz φ verglichen mit dem ersten Messsignal q0 und ist ansonsten im Wesentlichen gleich dem ersten Messsignal. In einem dritten Schritt 611 wird ein Differenzsignal Δq bestimmt, das die Differenz zwischen dem ersten Messsignal q0 und dem phasenverschobenen Messsignal qτ zu einem Zeitpunkt t repräsentiert. In einem vierten Schritt 612 wird das Differenzsignal auf ein bestimmtes Kriterium hin überprüft, wie zum Beispiel in dem dargestellten Beispiel das Vorhandensein von Spitzen in dem Differenzsignal. Andere Kriterien, wie etwa die Amplitude des Differenzsignals, die Periode oder Frequenzkomponenten des Differenzsignals oder das Vorhandensein von schrittweisen oder sprunghaften Übergängen können auch dazu verwendet werden, um einen Phasenübergang anzuzeigen. Wenn das Differenzsignal eine Spitze zeigt, wird in Schritt 613 ein Phasenübergang detektiert, wonach die Temperatur, bei der der Phasenübergang stattfindet, in Schritt 614 gemessen wird. Nach der Anzeige des Phasenübergangs in Schritt 613 kann das Verfahren wiederholt werden, indem Schritt 600 wieder ausgeführt wird. Wenn in dem Differenzsignal keine Spitze gefunden wird, wird kein Phasenübergang detektiert, und das Verfahren kann auch wiederholt werden, wenn erwünscht mit einem geänderten Messsignal, zum Beispiel mit einer anderen Amplitude oder einer anderen konstanten Komponente.
  • Die Phasendifferenz zwischen dem ersten Messsignal und dem phasenverschobenen Signal kann irgendeinen geeigneten Wert haben. Wenn die Phasendifferenz relativ klein ist, zum Beispiel kleiner als 1 Radial, wie beispielsweise kleiner oder gleich einer Verzögerung von 0,5 Sekunden bei einer Periode von 10 Sekunden, ist die relative Veränderung in dem Differenzsignal bei einem Phasenübergang groß und kann daher leicht detektiert werden. Die Phasendifferenz kann auch so sein, dass die Signale im Wesentlichen in Gegenphase zueinander sind, zum Beispiel eine Verschiebung von 4,5 Sekunden bei einer Periode von 10 Sekunden. Dann bewirkt ein Phasenübergang eine relative Änderung des Differenzsignals, die groß ist und daher leicht zu detektieren ist.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt. Nach der Lektüre des Vorhergehenden werden Fachleuten viele Modifikationen ersichtlich sein. Es ist insbesondere klar, dass der Sensor mit mehreren Wärmeflussmessern gestaltet werden kann. Es ist auch klar, dass die Heizelemente mit anderen Arten von Signalen gesteuert werden können, zum Beispiel mit rechteckförmigen Wellen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Phasenübergangs einer Substanz, bei dem: (i) ein erstes Messsignal (q0(t)) erzeugt wird (600), indem ein Wärmefluss von der Substanz, deren Phasenübergang erfasst soll, als Funktion der Zeit gemessen wird; (ii) ein zweites Messignal als Funktion der Zeit (t) erzeugt wird (610); (iii) ein Differenzsignal (Δq(t)) als Funktion der Zeit (t) bestimmt wird (611), das die Differenz zwischen dem ersten Messsignal (q0(t)) und dem zweiten Messsignal repräsentiert; (iv) das Differenzsignal (Δq(t)) auf ein Kriterium hin getestet wird (612); und (v) der Phasenübergang festgestellt wird (613), wenn das Testen (612) ergibt, dass das Kriterium erfüllt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Messsignal ein phasenverschobenes Messsignal (qτ(t)) ist, das eine Phasendifferenz (φ) im Vergleich zu dem ersten Messsignal (q0(t)) hat und ansonsten im Wesentlichen dem ersten Messsignal gleicht, und dass das Kriterium, auf das das Differenzsignal (Δq(t)) getestet wird, darin besteht, ob das Differenzsignal eine vorgegebene Bedingung erfüllt, wie etwa das Vorhandensein von Spitzen, schrittweise oder unstetige Übergänge oder pulsförmige Ausschläge in dem Differenzsignal oder der Amplitude, der Periode oder der Frequenzkomponenten des Differenzsignals.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Erzeugung (600) des ersten Messsignals (q0(t)) eine Temperatur einer ersten Oberfläche (311, 321; 331, 341) variiert wird; ein Wärmefluss von der Substanz auf die erste Oberfläche gemessen wird; und wobei bei der Erzeugung (610) des phasenverschobenen Signals (qτ(t)): Eine Temperatur einer zweiten Oberfläche (311, 321; 331, 341) variiert wird, wobei diese Variation phasenverschoben ist in Bezug auf die Variation der Temperatur der ersten Oberfläche; ein Wärmefluss von der Substanz zu der zweiten Oberfläche gemessen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei bei der Variation der Temperatur wenigstens einer der Oberflächen (311, 321; 331, 341) die Oberfläche mittels eines Heizelements (312, 322; 332, 342), das nahe an der Oberfläche angeordnet ist, aufgeheizt wird; die Oberfläche mittels eines Kühlelements (2) abgekühlt wird, das thermisch mit der Oberfläche verbunden ist und in einem Abstand zu der Oberfläche angeordnet ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Messung des Wärmeflusses die Messung eines Wärmeflusses von der Oberfläche (311, 321; 331, 341) zu dem Kühlelement (2) umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei beim Abkühlen der Oberfläche (311, 321; 331, 341) wenigstens ein Teil des Kühlelements (2) auf einer konstanten Temperatur gehalten wird; und wobei bei dem Aufheizen der Oberfläche die durch das Heizelement (321, 322; 332, 342) der Oberfläche zugeführte thermische Energie variiert wird; und wobei das Abkühlen und Aufheizen der Oberfläche wenigstens teilweise simultan ausgeführt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Phasenübergang der Phasenübergang von der Gasphase in die flüssige Phase der Substanz ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zum Bestimmen des Taupunktes eines Gases angewendet wird.
  8. Vorrichtung zum Bestimmen eines Phasenübergangs einer Substanz mit: Einem Wärmeflussmessgerät (310, 320; 300; 330, 340), das zum Messen eines Wärmeflusses von der Substanz, deren Phasenübergang erfasst werden soll, als Funktion der Zeit (t) ausgestaltet ist, wobei das Wärmeflussmessgerät einen Messgerätausgang aufweist, um ein erstes Messsignal (q0(t)) zu liefern, das ein Maß für den Wert des gemessenen Wärmeflusses bildet; einer Signalerzeugungseinrichtung (51; 502), die zum Erzeugen (610) eines zweiten Messsignals als Funktion der Zeit (t) ausgestaltet ist; einem Differenzbestimmungselement (52; 503) zum Bestimmen eines Differenzsignals (Δq(t)) als Funktion der Zeit (t), das die Differenz zwischen dem ersten Messsignal (q0(t)) und dem zweiten Messsignal repräsentiert; einer Testeinrichtung (52; 504) zum Testen (612) des Differenzsignals (Δq(t)) auf ein Kriterium; und einer Erfassungseinrichtung (52, 57; 504) zum Erfassen (613) des Phasenübergangs, wenn das Testen (612) ergibt, dass das Kriterium erfüllt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Messsignal ein phasenverschobenes Messsignal (qτ(t)) ist, das eine Phasendifferenz (φ) im Vergleich zum ersten Messsignal (q0(t)) hat und ansonsten im Wesentlichen dem ersten Messsignal gleicht, und dass das Kriterium, auf das das Differenzsignal (Δq(t)) getestet wird, darin besteht, ob das Differenzsignal eine vorgegebene Bedingung erfüllt, wie etwa beispielsweise das Vorhandensein von Spitzen, schrittweisen und unstetigen Übergängen oder pulsförmigen Ausschlägen in dem Differenzsignal oder der Amplitude, der Periode oder den Frequenzkomponenten des Differenzsignals.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8 mit: Einem ersten Heizelement (312, 322; 332, 342); einem ersten Wärmeflussmessgerät (310, 320; 330, 340), das thermisch mit dem ersten Heizelement verbunden ist, wobei die Signalerzeugungseinrichtung (51) zum Erzeugen des phasenverschobenen Messsignals (qτ(t)) aufweist: Ein zweites Wärmeflussmessgerät (310, 320; 330, 340) und ein zweites Heizelement (312, 322; 332, 342), das thermisch mit dem zweiten Wärmeflussmessgerät verbunden ist, wobei das erste und das zweite Heizelement mit einer Steuerschaltung (51) verbunden sind, die im Betrieb das zweite Heizelement in phasenverschobener Weise in Bezug auf das erste Heizelement steuert.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Signalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen des phasenverschobenen Messsignals (qτ(t)) eine elektronische Schaltung (500) umfasst, die wenigstens aufweist: Ein Phasenverschiebungselement (502), das mit dem Ausgang des Wärmeflussmessgerätes (300) verbunden ist; ein Kombinierelement (503) mit einem ersten Eingang, der mit einem Ausgang des Phasenverschiebungselements (502) verbunden ist, und einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Wärmeflussmessgerätes (300) verbunden ist, einem Ausgang, an dem ein Differenzsignal der an die Eingänge gelieferten Signale bereitgestellt wird, wobei einer der Eingänge ein negativer Eingang und der andere der Eingänge ein positiver Eingang ist; und wobei die Schaltung (500) weiter aufweist: Ein Detektorelement (504), das mit dem Ausgang des Kombinierelements (503) verbunden ist, um das Testen (612) durchzuführen.
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