DE69232149T2

DE69232149T2 - Messgerät

Info

Publication number: DE69232149T2
Application number: DE69232149T
Authority: DE
Inventors: Shigeo Hata; Junichi Intoh; Toshiyuki Sekiya; Koji Suzuki
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2012-12-01
Also published as: EP0545647B1; DE69232149D1; EP0545647A1; US5656928A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit, bei dem sich die Impedanz eines Elementes in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit verändert.
Bisher war es recht schwer, genaue Messungen der relativen Luftfeuchtigkeit in einem großen Temperaturintervall durchzuführen. Der Grund ist die am Ausgang eines Feuchtigkeitssensors auftretende γ-Kennlinie höherer Ordnung (s. Fig. 2).
Üblicherweise greift man für die lineare Umsetzung auf die Strom/Spannungs-Kennlinie einer Diode zurück. Um jedoch den Unterschied in den Kennlinien des Sensors und der Diode auszugleichen, war es bisher erforderlich, eine entsprechende Kombination individuell abzugleichen. Diese Methode bedeutet bei der Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit über einen großen Meßbereich keine ausreichende Genauigkeit.
Es wurde auch ein Verfahren vorgeschlagen, eine Näherungskurve höherer Ordnung durch die Methode der kleinsten Quadrate linear zu approximieren. Dieses Verfahren wurde schon praktisch eingesetzt unter Verwendung einer Zentraleinheit und durch Substitution des Sensorausgangs, um lineare Approximation zu erzielen. Will man jedoch Messungen über einen großen Bereich der relativen Luftfeuchtigkeit mit hoher Genauigkeit vornehmen, ist eine höhere Auflösung in der Meßschaltung erforderlich. Dies kann durch eine höhere Anzahl von Bits in der Zentraleinheit oder im A/D-Umsetzer (Analog-/Digital-Umsetzer) oder durch Erhöhen der Verarbeitungszeit in der Zentraleinheit erreicht werden.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, kann sich der elektrische Widerstand am Ausgang eines Feuchtigkeitssensors bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 20% bis 95% zwischen 1 kΩ und 10 MΩ oder größer verändern. Wird versucht, eine Messung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 10% und weniger durchzuführen, wird ein elektrischer Widerstand von 100 MΩ oder größer am Ausgang des Feuchtigkeitssensors erwartet. Soll eine Meßgenauigkeit für die relative Luftfeuchtigkeit von 5% oder kleiner erreicht werden, ist bei 60ºC und etwa 95% relativer Luftfeuchtigkeit eine Genauigkeit des elektrischen Widerstands von 0,3 kΩ erforderlich. Dies bedeutet, in dem Gleichrichter, dem A/D-Umsetzer und der Zentraleinheit darf die Gesamtauflösung nicht größer als 1/330 000 sein. Ergebnis: Es ist derzeit nicht möglich, die relative Luftfeuchtigkeit über einen großen Meßbereich mit hoher Genauigkeit zu messen.
Es wurde auch ein Meßgerät vorgeschlagen, bei dem ein Feuchtigkeitssensor seinen Widerstand in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchtigkeit ändert. In Reihe zum Sensor wurde ein Kondensator geschaltet, um eine Gleichspannung zwischen dem Feuchtigkeitssensor und dem Kondensator zu erzeugen. Während der Zeit, in der sich der Kondensator bis zu einem bestimmten Spannungspegel aufgeladen hat, wird die Sensorkennlinie mit Hilfe eines linearen Näherungsformel berechnet.
Wird jedoch der Bereich auf niedrige Werte der relativen Luftfeuchtigkeit ausgeweitet, tritt das Problem auf, daß sich der elektrische Widerstand des Feuchtigkeitssensors vergrößert und damit auch die Aufladezeit des Kondensators. Beispielsweise ist der Widerstand des Feuchtigkeitssensors bei 25ºC und bei 10% relativer Luftfeuchtigkeit 10 GΩ oder größer. Selbst wenn die Kapazität des Kondensators auf nur 30 pF herabgesetzt wird, beträgt die Aufladezeit des Kondensators etwa 300 ms. Wenn die Aufladezeit auf diesen Wert angehoben wird, entspricht dies zeitlich dem Anliegen der Gleichspannung. Das heißt, es verschlechtert sich die Funktion des Feuchtigkeitssensors wegen der Ablenkung interner Ionen sehr rasch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Meßgerät vorzustellen, das die oben angeführten Nachteile nicht mehr aufweist. Es zeigt eine hohe Genauigkeit über einen großen relativen Luftfeuchtigkeitsbereich. Das Meßgerät ist relativ einfach strukturiert und preiswert.
Die Europäische Patentschrift EP-A-0 108 325 berichtet über einen Temperatursensor, bei dem ein Widerstandspaar derart verschaltet werden kann, daß sich der Sensorbereich vergrößern läßt.
Die UK-Patentanmeldung 222261 A berichtet über einen Feuchtigkeitssensor, in dem der Stromfluß durch den Sensor periodisch umgekehrt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Meßgerät, wie in Patentanspruch 1 dargelegt, verwendet.
Weitere Gesichtspunkte und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung und die beigefügte Zeichnung verdeutlicht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt einen Übersichtsschaltplan eines Meßgeräts zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit, wie es in der vorliegenden Erfindung verwirklicht wurde.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der relativen Luftfeuchtigkeits/Widerstands-Kennlinien eines Feuchtigkeitssensors.
Fig. 3A und 3B zeigen ein Substrat, auf dem die Schaltung des Meßgeräts integriert ist.
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Kennlinie aus Fig. 2 durch Geraden angenähert wird.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit mit dem Meßgerät von Fig. 1.
Fig. 6 zeigt einen Übersichtsschaltplan für ein alternatives Meßgerät zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit.
Fig. 7 zeigt Schwingungsformen der elektrischen Spannung bei verschiedenen Ablaufschritten im Meßgerät von Fig. 6.
Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung der relativen Luftfeuchtigkeits/Spannungs-Kennlinien eines Feuchtigkeitssensors.
Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit mit dem Meßgerät von Fig. 6.
Fig. 10 zeigt einen Übersichtsschaltplan für ein weiteres Meßgerät zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit.
Fig. 11 zeigt einen Übersichtsschaltplan für ein weiteres Meßgerät zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

(Ausführungsbeispiel 1)

Nun wird ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben
Die Ausführungsbeispiele nach der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Übersichtsschaltplan eines Meßgeräts zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Element 1 ist eine Oszillatorschaltung, die ein Signal konstanter Amplitude mit einer Schwingungsfrequenz von 100 Hz bis 10 kHz abgibt. Sie steht in Beziehung zu den Kennlinien des Feuchtigkeitssensors 2, dessen elektrischer Widerstand - wie in Fig. 2 zu sehen - sich mit der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit ändert. Der Sensor besteht beispielsweise aus hochmolekularer Keramik. Die Bezugswiderstände R1 bis R5 dienen dazu, die Ausgangskennlinie des Feuchtigkeitssensors 2 linear zu approximieren, indem die Kennlinie in fünf lineare Abschnitte unterteilt wird (s. Fig. 4). Die elektrischen Widerstände sind mit elektronischen Schaltern SW1 bis SW5 verbunden. Der Kondensator C1 dient der Wechselstromkopplung. Seine Kapazität ist so bemessen, daß die Impedanz der Oszillatorschaltung 1 bei einer Schwingungsfrequenz in Bezug auf den Feuchtigkeitssensor 2 oder die Bezugswiderstände R1 bis R5 vernachlässigt werden kann. Element 3 ist ein Wechselstrom-Amplitudenverstärker, der das Signal am Ausgang des Feuchtigkeitssensors und der Bezugswiderstände R1 bis R5 verstärkt. Element 4 ist ein Gleichrichter, der das von dem Wechselstrom-Amplitudenverstärker 3 kommende Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignalumwandelt. Dieses Gleichstromsignal wird im A/D-Umsetzer 5 in einen Digitalwert umgesetzt. Bei Element 6 handelt es sich um eine Zentraleinheit, die die relativen Luftfeuchtigkeit der vom Feuchtigkeitssensor 2 gelieferte Ausgangskennlinie durch lineare Approximation bestimmt. Die Zentraleinheit steuert auch die elektronischen Schalter SW1 bis 5W5 an. Bei Element 7 handelt es sich um einen Thermistor (Temperatursensor), dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert und der in der Nähe des Feuchtigkeitssensors angebracht ist. Element 8 ist eine Vergleichsspannungsquelle, die über den ohmschen Widerstand 10 eine Vergleichsspannung an den Thermistor 7 liefert. Bei Element 9 handelt es sich um einen Gleichstromverstärker, der das vom Thermistor kommende Gleichstromsignal verstärkt und dem A/D-Umsetzer zuführt.
Fig. 3A ist der Grundriß eines Substrates, in dem die Oszillatorschaltung 1, der Feuchtigkeitssensor 2 und der Wechselstrom-Amplitudenverstärker 3 integriert sind. Fig. 3A gibt einen Querschnitt des Substrates wieder. Auf dem Keramiksubstrat 13 befinden sich der Feuchtigkeitssensor 2, die Bezugswiderstände R1 bis R5 und die Schaltungsanschlüsse 15 und 17, an die im Fließlötverfahren die elektronischen Schalter SW1 bis SW5, der Wechselstromkoppelkondensator C1 und der Wechselstrom-Amplitudenverstärker 3 angelötet werden. Der obere Teil des Feuchtigkeitssensors 2 wird von einem Staubschutzfilter 12 bedeckt. Die Oberseite des Keramiksubstrates 13 wird gänzlich mit einer Schutzhaube 11 aus einem Metallgeflecht abgedeckt. Auf der Rückseite des Keramiksubstrats 13 ist über die Isolationsschicht 16 eine Abschirmelektrode 14 aufgedruckt.
Bei der obigen Anordnung wird die Spannung der Verbindungsstelle zwischen den elektrischen Bezugswiderständen R1 bis R5 und dem Feuchtigkeitssensor 2, die vom Verhältnis der Widerstände auf jeder Seite der Verbindungsstelle abhängt, über den Wechselstrom-Amplitudenverstärker 3, die Gleichrichterschaltung 4 und den A/D-Umsetzer 5 der Zentraleinheit 6 zugeführt. Sie liest den Widerstand ein, der sich aus dem ohmschen der Widerstände von R1 bis R5 und dem Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 ergibt, und berechnet anschließend den Widerstand des Feuchtigkeitssensors. Andererseits wird das Verhältnis aus dem ohmschem Widerstand 10 und dem Widerstand des Thermistors 7 über den A/D-Umsetzer der Zentraleinheit 6 zugeführt. Über dieses eingelesene Widerstandsverhältnis wird aus einer abgespeicherten Tabelle die Umgebungstemperatur des Feuchtigkeitssensors 2 ermittelt. Die Zentraleinheit 6 errechnet schließlich die relative Luftfeuchtigkeit aus dem Widerstand und der Umgebungstemperatur des Feuchtigkeitssensors 2.
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung der linearen Approximation für die Ausgangskennlinie des Feuchtigkeitssensors 2 aus Fig. 2 durch ihre Aufteilung in fünf lineare Bereiche. Es seien X der Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 und H die relative Luftfeuchtigkeit, die proportional zu X ist. L41 stellt die Approximationskurve dar, wenn der Bezugswiderstand R1 (durch Einschalten des elektronischen Schalters SW1) zugeschaltet ist. H41gibt den Approximationsbereich der Kurve L41an. XM41 stellt den Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 dar, der sich ergibt, wenn man sich auf die Mitte des Abschnitts H41 bezieht. Seien T [ºC] die Umgebungstemperatur und X [Ω] der Widerstand des Feuchtigkeitssensors, dann läßt sich die relative Luftfeuchtigkeit H [%] aus der Approximationskurve L41 berechnen zu:
H = A1 (T)·X + B1 (T),
wobei
A1 (T) = C1·T + D1
und
B1 (T) = E1 (T) + F1.
Hierbei sind C1, D1, E1 und F1 Werte für in der Zentraleinheit 6 abgespeicherte Linearparameter der Approximationskurve L41.
Dies bedeutet, die Zentraleinheit kann die relative Luftfeuchtigkeit H berechnen aus dem Verhältnis des ohmschen Widerstands 10 und dem Widerstand des Thermistors 7 - dies entspricht der Umgebungstemperatur T des Feuchtigkeitssensors 2 -, und aus dem Verhältnis des Bezugswiderstands 1 und dem Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 - dies entspricht dem Widerstand X des Feuchtigkeitssensors 2 -, sowie den abgespeicherten Werten der Linearparameter C1, D1, E1 und Fl der Approximationskurve L41. Ähnlich läßt sich die relative Luftfeuchtigkeit für die Approximationskurven L42 bis L45 berechnen, wobei diesen Kurven Linearparameter mit anderen Werten zugeordnet sind.
Es wird nun anhand des Flußdiagramms (Fig. 5) die Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit H in der Zentraleinheit 6 beschrieben. Zuerst wird der Inhalt der Variablen n zurückgesetzt (n = 0, Schritt S1). Danach wird der Inhalt der Variable n um eine Einheit erhöht (n = n + 1, Schritt S2). Bei Schritt S3 wird der Schalter SWn (beispielsweise Schalter SW1) eingeschaltet, damit ein Bezugswiderstand, beispielsweise R1, von elektrischem Strom durchflossen wird. Bei Schritt S4 wird der Widerstand Xn (beispielsweise X1) des Feuchtigkeitssensors 2 berechnet und abgespeichert. Xn ergibt sich aus dem Verhältnis des Bezugswiderstands Rn (beispielsweise R1) und dem Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2. Bei Schritt S5 wird der Absolutwert Gn (beispielsweise G1) berechnet und abgespeichert. Gn ist der Absolutwert der Differenz zwischen Xn (beispielsweise X1) und dem Widerstand XMn (beispielsweise XM1) des Feuchtigkeitssensors 2 bei der relativen Luftfeuchtigkeit HMn (beispielsweise HM41) in der Mitte des Bereiches der linearen Approximation Hn (beispielsweise H41), der in der Zentraleinheit 6 abgespeichert ist. Die beschriebenen Schritte 52 bis 55 werden insgesamt fünfmal wiederholt (n = 2 bis 5, Schritt 6). Bei S7 wird in der Zentraleinheit 6 die Temperatur des Thermistors 7, das heißt die Umgebungstemperatur T des Feuchtigkeitssensors 2, bestimmt und abgespeichert. Sie wird aus dem Verhältnis des ohmschem Widerstands 10 und dem Widerstand des Thermistors 7 bestimmt. Dieses gelangt über den A/D-Umsetzer 5 in digitalisierter Form in die Zentraleinheit. Bei Schritt S8 wird der Minimalwert aus G1 bis G5 bestimmt. Der Inhalt der Variablen n wird auf den Index dieses G-Wertes gesetzt (also n = 1, wenn G1 der Minimalwert ist). Bei Schritt S9 werden mit Hilfe der Linearparameter Cn, Dn, En und Fn unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur T die Größen An (T) und Bn (T) und anschließend die relative Luftfeuchtigkeit unter Berücksichtigung der Linearparameter An (T), Bn (T) und des Widerstands Xn berechnet. Danach wird das Programm beendet.
Auf diese Weise kann eine Kennlinie durch eine Vielzahl von Approximationskurven angenähert werden, wodurch die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit mit hoher Genauigkeit in einem großen Bereich bestimmt werden kann.

(Ausführungsbeispiel 2)

Fig. 6 zeigt einen Übersichtsschaltplan eines Meßgeräts zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit als alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hier wird die Schaltung gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 vereinfacht. Nach wie vor vorhanden sind die ohmschen Widerstände R1 bis R5, der Kopplungskondensator C1 und der Feuchtigkeitssensor 2. Element 20 ist eine Referenzspannungsquelle, um eine Referenzspannung VR2 an den Feuchtigkeitssensor anzulegen. Bei den Schaltern SW6 und SW7 handelt es sich um elektronische Schalter zur Versorgung des Feuchtigkeitssensors 2 mit einer Vorspannung. Man schaltet hierzu alternativ zwischen der Referenzspannung VR2 und dem Massepotential hin und her. Der Kondensator C2 ist ein Kopplungskondensator. Der Schalter 5W8 ist ein analoger CMOS- Schalter (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Er stellt eine Klemmschaltung für die Gleichspannung dar, damit die an V2 auftretende Wechselspannung als Gleichspannung dem in CMOS- Technik ausgeführten A/D-Umsetzer 5 zugeführt werden kann. Er gibt einen Digitalwert dann an die Zentraleinheit 6 ab, wenn von der Zentraleinheit über die Signalleitung 21ein Freigabesignal gesendet wird.
In Fig. 7 sind die Rechtecksignale der elektrischen Spannungen zu sehen, deren Wirkungsweise nun beschrieben werden. Die Zentraleinheit 6 erzeugt ein Taktsignal, dessen Frequenz in der Nähe der optimalen Steuerfrequenz (beispielsweise 1 kHz) des Feuchtigkeitssensors 2 liegt, mit einem Hardware-Taktgeber oder einem in der Zentraleinheit vorhandenen Software-Taktgeber, der die Schalter 5W6 und 5W7 in Übereinstimmung mit dem Taktsignal ein- und ausschaltet. Hierbei wird den Bezugswiderständen R1 bis R5 die Referenzspannung VR2 oder das Massepotential als Vorspannung alternativ zugeführt. Das Impulssignal mit der Amplitude VR wird den Bezugswiderständen R1 bis R5 zugeführt (in Fig. 7 mit V1 gekennzeichnet). Das Impulssignal gelangt über die Bezugswiderstände R1 bis R5 und den Wechselstrom- Kopplungskondensator C1 an den Feuchtigkeitssensor 2. Ihm wird ein Wechselstromsignal zugeführt, das eine Maximalspannung von +α VR2/2, eine Minimalspannung von -α VR2/2 und einer Amplitude von α·VR2 hat (in Fig. 7 mit V2 bezeichnet). α kann ausgedrückt werden durch
α = Xn/ (R1 + Xn),
wobei Xn der jeweilige Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 ist.
Aufgrund des Kopplungskondensators C2 und des elektrischen Schalters SW8 kann dem A/D-Umsetzer Gleichspannung zugeführt werden. Gleichspannung auf. Das heißt, die Zentraleinheit 6 schaltet den Schalter SW8 ein, wenn keine Luftfeuchtigkeitsmessung vorgenommen wird. Die Zentraleinheit 6 schaltet den Schalter bei vorgegebener Taktsteuerung ein, wenn V1 und V2 den niedrigen Spannungspegel durchlaufen. Der Schalter wird ausgeschaltet, wenn eine Luftfeuchtigkeitsmessung durchgeführt wird (s. SW8 in Fig. 7). Der CMOS-A/D-Umsetzer hat eine sehr hohe Eingangsimpedanz, wodurch sich die elektrischen Ladungen auf dem Kondensator nicht ändern. Deshalb stellt der positive Impuls V3 am Eingang des A/D-Umsetzers bezogen auf 0V eine Klemmspannung dar. Die Amplitude des Impulses beträgt α·VR2, wie aus der Zeichnung V3 von Fig. 7 zu ersehen ist.
Die Zentraleinheit 6 sendet über die Signalleitung 21 an den A/D-Umsetzer, synchron zum Eintreten des positiven Spitzenwerts von V3, ein Freigabesignal. Hierdurch kann die am Eingang des A/D-Umsetzers anliegende Spannung in einen Digitalwert umgesetzt werde, der anschließend in die Zentraleinheit eingeschrieben wird. Durch die Digitalisierung kann der Widerstand X des Feuchtigkeitssensors 2 berechnet werden.
Die Zentraleinheit 6 berechnet aufgrund der vom Thermistor 7 kommenden Daten die Umgebungstemperatur T des Feuchtigkeitssensors 2. Danach kann die relative Luftfeuchtigkeit H aus den Daten des Widerstands X, der Umgebungstemperatur T und der Linearparameter ermittelt werden (s. auch erstes Ausführungsbeispiel).
Wie man sehen konnte, läßt sich ein vereinfachtes Meßgerät zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit herstellen, wobei auf die Oszillatorschaltung 1, den Wechselstrom- Amplitudenverstärker 3 und den Gleichrichter 4 verzichtet werden konnte. Statt der Oszillatorschaltung 1 mit stabilisierter Ausgangsamplitude wird in dem zweiten Ausführungsbeispiel zur Verbesserung der Meßgenauigkeit zwischen der Referenzspannung VR2 und dem Massepotential hin- und hergeschaltet. Den Bezugswiderständen R1 bis R5 werden Signale mit einer stabilen Amplitude zugeführt. Als Folge besteht keine Notwendigkeit die Amplitude am Eingangteil des A/D-Umsetzers 5 nachzujustieren, das heißt, ein Streufaktor wird unterdrückt. Durch Eliminierung der Oszillatorschaltung 1 werden Herstellungskosten eingespart.

(Ausführungsbeispiel 3)

Bei den beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen 1 und 2 berechnete die Zentraleinheit 6 den Widerstand des Feuchtigkeitssensor 2 aus seiner Ausgangsspannung. Die relative Luftfeuchtigkeit wurde aus der Kennlinie im Luftfeuchtigkeits- /Widerstands-Diagramm ermittelt. Bei diesem Ausführungsbeispiel berechnet die Zentraleinheit 6 die relative Luftfeuchtigkeit aus der Kennlinie im Luftfeuchtigkeits-/Spannungs-Diagramm. Als Spannung nimmt man die Ausgangsspannung V3 und die Umgebungsluftfeuchtigkeit des Feuchtigkeitssensors 2. Es wird das Meßgerät von Ausführungsbeispiel 2 herangezogen (s. Fig. 6).
Fig. 8 zeigt eine graphische Darstellung mit den Koordinaten Ausgangsspannung V3 und Umgebungsluftfeuchtigkeit des Feuchtigkeitssensors 2. Die gestrichelten Kurven C81 bis C85 in Fig. 8 stellen Kennlinien dar, die auf die elektrischen Widerstände R1 bis R5 Bezug nehmen, wenn die Schalter SW1 bis 5W5 aktiviert wurden. Die durchgezogenen Linien L81 bis L85 sind lineare Approximationskurven. Die Approximationskurve L81 kann ausgedrückt werden durch
V3 = I1·H + J1,
wobei I1 und J1 Parameter sind. Die Approximationskurven L82 bis L85 können ebenso ausgedrückt werden; es ändern sich nur die Parameter In und Jn. In der Zentraleinheit 6 sind die Parameter In und Jn abgespeichert. Die relative Luftfeuchtigkeit H läßt sich durch Eingabe des Wertes der Ausgangspannung V3 des Feuchtigkeitssensors 2 berechnen. Mit der hier vorgeschlagenen Ausführungsbeispiel lassen sich relative Feuchtigkeitswerte zwischen 15% und 100% bestimmen.
Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm zur Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit in der Zentraleinheit 6. Bei Schritt S11 wird der Inhalt der Variablen n auf 1 gesetzt. Bei Schritt S12 wird der Schalter Sn zur Aktivierung des Bezugswiderstands Rn eingeschaltet. Die Ausgangsspannung V3 von Feuchtigkeitssensor 2 wird eingelesen. Bei Schritt S13 wird abgefragt, ob die Spannung V3 sich im Bereich von 0,25 bis 0,8 befindet. Ist dies der Fall werden die Parameter In und Jn der zu Rn gehörenden linearen Approximationskurve aus der in der Zentraleinheit 6 abgespeicherten Tabelle ausgelesen (Schritt S14) und die relative Luftfeuchtigkeit berechnet (Schritt S15). Ist die Spannung von V3 größer oder gleich 0,8, wird der Inhalt der Variablen n um den Wert 1 erhöht (Schritt S16). Ist der Inhalt der Variablen n kleiner 6, verzweigt das Programm in Schritt Sl7zu Schritt S12. Erreicht der Inhalt der Variablen den Wert größer oder gleich 6 wird eine relative Luftfeuchtigkeit unter 15% angenommen; das Programm wird beendet.
Es sei erwähnt, daß die Genauigkeit der Messung von relativen Feuchtigkeitswerten unter 15% verbessert werden kann, wenn man die Anzahl der Bezugswiderstände erhöht.

(Ausführungsbeispiel 4)

Fig. 10 zeigt einen Übersichtsschaltplan eines Meßgeräts zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit in einem vierten Ausführungsbeispiel. Wird bei dem dritten Ausführungsbeispiels der Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 größer oder gleich 10 MQ, können Meßfehler aufgrund sich verändernder Kapazitäten bei den Schaltern SW1 bis SW5, beim Feuchtigkeitssensor 2 und bei anderen Schaltkreisen auftreten. Bei diesem Ausführungsbeispiel sollen Meßfehler durch sich verändernde Kapazitäten reduziert werden.
Vorhanden sind wie in Fig. 6: der Feuchtigkeitssensor 2, der A/D-Umsetzer 5, die Zentraleinheit 6, die Referenzspannungsquelle 20, die Signalleitung 21 zur Freigabesteuerung des A/D-Umsetzers, die Schalter SW1 bis 5W5 und der Kopplungskondensator C1. Ihre Funktionsweise wird als bekannt vorausgesetzt. Der Widerstand R10, der über Schalter SW10 ein- und ausgeschaltet wird, ist ein Bezugswiderstand zum Bestimmen relativer Luftfeuchtigkeitswerte von 10% bis 15%. C3 ist ein zu R10 in Serie geschalteter Kopplungskondensator mit einer kleineren Kapazität als die des Kopplungskondensators C1. Der Kondensator C3 wird mit den Kondensatoren C1 und C2 sowie dem Feuchtigkeitssensor 2 zusammengeschaltet. Der Widerstand R10 wird ebenso wie die anderen Widerstände (R1 bis R5) mit den Schaltern SW6 und SW7 verbunden. Der Schalter SW9 und der Kondensator C4, die zueinander parallel geschaltet sind, liegen zwischen dem Kondensator C2, dem Schalter SW8 und dem A/D- Umsetzer 5. Die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 stehen zueinander in der Beziehung
C2/C1 = (1/(1/C2 + 1/C4))/C3.
Die Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit in der Zentraleinheit 6 läuft folgendermaßen ab: Von der Zentraleinheit 6 wird der Schalter SW9 eingeschaltet. Es wird der gleiche Programmablauf wie im dritten Ausführungsbeispiel durchgeführt (s. Fig. 9). Man stellt bei Schritt S18 fest, daß die Spannung zur Durchführung der linearen Approximation durch die Wahl der Bezugswiderstände R1 bis R5 nicht erreicht werden kann. Die Zentraleinheit schaltet die Schalter SW1 bis 5W5 und SW8 aus und den Schalter SW10 ein. Zusätzlich wird die Umschaltfrequenz der Schalter SW6 und SW7 verringert. Beispielsweise wird die Umschaltfrequenz von 1 kHz auf 50 Hz herabgesetzt. Die Zentraleinheit startet den Klemmbetrieb, um die Spannung V2 über den A/D-Umsetzer in der gleichen Weise wie im dritten Ausführungsbeispiel einzulesen. Die Frequenz ist umgekehrt proportional zur Zeitkonstanten t, die sich aus dem Produkt der Kapazität von C1 und des Widerstands des Feuchtigkeitssensors 2 errechnet. Ist beispielsweise C1 = 0,3 uF und R = 60 142 erhält man als Frequenz etwa 50 Hz; wird der Widerstand auf 6 kΩ verkleinert, erhält man eine Frequenz von etwa 500 Hz. Die Klemmzeit entspricht dem in Fig. 7 dargestellten Zeitablaufdiagramm. Wird die Steuerfrequenz an VR2 geändert, dann wird der Zeitablauf proportional angeglichen, so daß der Klemmbetrieb entsprechen Fig. 7 abläuft.
Ist der Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 gleich 10 MΩ oder größer, dürfen nach dem dritten Ausführungsbeispiel wegen der veränderten Kapazitäten im Feuchtigkeitssensor 2 und anderen Elemente der Schaltung keine Approximations-Berechnungen vorgenommen werden. Wenn in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Widerstand des Feuchtigkeitssensors 2 größer wird, werden bei den Kopplungskondensatoren C2, C3, C4 und bei der Steuerfrequenz der Referenzspannungsquelle die veränderten Kapazitäten berücksichtigt, wodurch ein durch die veränderten Kapazitäten hervorgerufener Meßfehler soweit reduziert wird, daß eine genaue Messung möglich ist. Da die Kapazität von C3 verkleinert wird, verkürzt sich während des Klemmzustandes die Zeit für den stationären Zustand des Kondensators C3. Es lassen sich die Messungen schneller durchführen.

(Ausführungsbeispiel 5)

Fig. 11 zeigt einen weiteren Übersichtsschaltplan für ein Meßgerät zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit. Vorhanden sind wie in Fig. 6: der Feuchtigkeitssensor 2, der A/D-Umsetzer 5, die Zentraleinheit 6, die Referenzspannungsquelle 20, die Signalleitung 21 für die Feigabe des A/D-Umsetzers, die Schalter SW1 bis SW8 und der Kopplungskondensator C1. Ihre Funktionsweise wird als bekannt vorausgesetzt. Der Schalter SW10 liegt parallel zu dem Bezugswiderstand R1 und dem Schalter SW1. Man kann dies so deuten, daß eine Bezugswiderstand mit dem Widerstandswert 0 Ω parallel zu den Bezugswiderständen R1 bis R5 liegt.
Die Zentraleinheit 6 führt den gleichen Ablauf der Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit aus, wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel (s. Fig. 9). Wenn bei Schritt S18 erkannt wird, daß die Spannung für die lineare Approximation nicht über die Bezugswiderstände R1 bis R5 erreicht werden kann, schaltet die Zentraleinheit die Schalter SW1 bis SW5 aus und den Schalter SW10 ein. Nun berechnet die Zentraleinheit 6 die relative Luftfeuchtigkeit, indem die Ausgangsspannung V3 des Feuchtigkeitssensors 2 über den A/D-Umsetzer 5 der Zentraleinheit digital zugeführt wird.
Ist die zu messende relative Luftfeuchtigkeit niedrig oder ist der Widerstand des Feuchtigkeitssensors groß, wird der Bezugswiderstand mit Hilfe des Schalters SW10 auf 0 Ω gesetzt, wodurch die veränderten Kapazitäten des Kondensators C1 reduziert werden. Deshalb tritt am Ausgang V2 des Feuchtigkeitssensors kein Rauschen auf, wodurch die Klemmspannung V3 stabilisiert werden kann. Als Folge wird eine stabilere Messung der relativen Luftfeuchtigkeit erreicht.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Feuchtigkeitssensoren beschränkt. Denkbar sind Anwendungen auf einen Thermistor, dessen Widerstand von der Temperatur abhängt, eine Photozelle, deren Widerstand von der Lichtmenge abhängt, auf Bauteile, deren Kapazitäten oder Induktivitäten von der äußeren Umgebung abhängen, beispielsweise ein Mikrofon, dessen Induktivität sich mit der Lautstärke ändert. Es kann auch eine Anzeigeeinheit vorgesehen sein, die den gemessenen Wert darstellt, oder der Meßwert steuert eine Apparatur.

Claims

1. Feuchtigkeitsmeßgerät, mit:

einem ersten Element (2) mit einer Impedanz, die in einer nichtlinearen Kurve gemäß dem Wert der Umgebungsfeuchtigkeit variiert;

einem zweiten Element (R1-R5), das mit dem ersten Element verbunden ist und eine variable Impedanz hat;

einem Mittel (7) zum Anlegen einer Potentialdifferenz an das erste und zweite Element;

einem Wandler (5) zum Umsetzen der Spannung an der Verbindung zwischen den beiden Elementen in einen digitalen Wert;

einem Einstellmittel (6, SW1-5W5) zum Einstellen der Impedanz des zweiten Elements; und

mit einem Rechenmittel (6) zum Bestimmen der Umgebungsfeuchtigkeit aus dem Ausgangssignal des Wandlers, der ein Feststellmittel (7) zum Feststellen der Umgebungstemperatur vom ersten Element (2) besitzt, und wobei das Rechenmittel (6) eine Vielzahl von Parametern speichert, die zum Ausführen einer Vielzahl linearer Annäherungen verwendet werden, die jeweils einem Abschnitt der nichtlineraren Kurve entsprechen und eingerichtet sind zur Auswahl von Parametern gemäß der Impedanz des zweiten Elements (2), wie es vom Einstellmittel eingestellt ist, wobei das Rechenmittel im Betrieb eine lineare Annäherung bezüglich des Ausgangssignals vom Wandler unter Verwendung der festgestellten Umgebungstemperatur zum Erzielen eines korrekten Wertes der ausgewählten Parameter ausführt.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Rechenmittel eingerichtet ist, die Feuchtigkeitsmessungen unter Verwendung des Bereichs der Impedanzen auszuführen, die aus dem zweiten Element verfügbar sind, und danach zur Auswahl einer der Impedanzen gemäß dem Ausgangssignal vom Temperaturfeststellmittel (7).

3. Gerät nach Anspruch 2, bei dem das Einstellmittel eingerichtet ist, das zweite Element auf einen einer Vielzahl von Festwiderständen einzustellen, und bei dem das Rechenmittel eingerichtet ist zum Errechnen des Wertes der Umgebungsbedingung, wenn der unter Verwendung des Sensorelements erzeugte digitale Wert und der eine Festwiderstand innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt, und wenn der digitale Wert nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt zum Veranlassen des Einstellmittels, das zweite Element auf einen zweiten Wert einzustellen und den Prozeß zu wiederholen, bis ein letzter Wert für die Umgebungsbedingung durch das Rechenmittel bestimmt werden kann.

4. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Spannungsquelle intermittierend anliegt.