EP0995110A1 - Anordnung zum bestimmen der relativen luftfeuchte - Google Patents

Anordnung zum bestimmen der relativen luftfeuchte

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EP0995110A1
EP0995110A1 EP98932176A EP98932176A EP0995110A1 EP 0995110 A1 EP0995110 A1 EP 0995110A1 EP 98932176 A EP98932176 A EP 98932176A EP 98932176 A EP98932176 A EP 98932176A EP 0995110 A1 EP0995110 A1 EP 0995110A1
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EP
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air humidity
electrically conductive
sensor
current
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EP98932176A
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Inventor
Werner Wallrafen
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Siemens AG
Original Assignee
Mannesmann VDO AG
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
    • G01N27/225—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity by using hygroscopic materials

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for determining the relative air humidity by means of a capacitive air humidity sensor and an associated sensor evaluation electronics, the capacitive air humidity sensor having a polymer layer as dielectric and two electrically conductive electrodes.
  • air humidity sensors are used for air conditioning systems in buildings, they are usually serviced or replaced regularly. However, if the air humidity sensors are used in air conditioning systems of motor vehicles, they have to function maintenance-free for years if possible under difficult conditions.
  • the invention is therefore based on the object of proposing an arrangement for determining the relative atmospheric humidity of the type mentioned at the outset, which works properly without additional maintenance.
  • one of the electrically conductive, metallized electrodes is designed as a layered heating resistor with at least two power connections.
  • the arrangement according to the invention has the advantage that the capacitive air humidity sensor can be heated up in a simple manner and at any time outside the measuring periods, so that any contamination can be evaporated.
  • the electrically conductive electrodes are arranged opposite one another on both sides of the polymer layer or next to one another on one side of the polymer layer.
  • the electrodes of the capacitive air humidity sensor consist of platinum, which has a relatively high specific resistance and is therefore particularly suitable in the form of a thin film as a heating resistor.
  • another noble metal can also be used.
  • the platinum electrode designed as a heating resistor is supplied with current in certain time cycles, it having proven to be advantageous if this takes place each time the arrangement is switched on.
  • the heating resistor be briefly energized only when the ambient temperature falls below a predetermined value when the device is switched on.
  • a temperature sensor is provided, which is connected to the sensor evaluation electronics and outputs a compensation variable for the determination of the exact relative air humidity by the sensor evaluation electronics.
  • a further development of the invention is that the heating resistor is only supplied with current after a predetermined waiting time, which turns out to be has proven to be particularly economical and cost-saving.
  • 1 is a side view of an air humidity sensor
  • Fig. 3 shows an arrangement for the operation of an air humidity sensor
  • the capacitive air humidity sensor 1 shown in FIGS. 1 and 2 essentially consists of a polymer layer 2 as a dielectric and two electrically conductive (metallized) electrodes 3 and 4 located opposite one another Dielectric 2 are also next to each other.
  • the electrodes 3 and 4 are provided with power connections 6 and 7, 8, to which feed lines 9 and 11, 12 are connected. Since the electrode 4 is designed according to the invention as a heating resistor, two current connections 7 and 8 are provided for the temporary supply of heating current, while the electrode 3 has only one current connection 6.
  • a heating current can be supplied via the two current connections 7 and 8 on the one hand - outside the measuring periods and on the other hand - during the Measuring times - a measuring signal can be removed simultaneously via the current connection 6.
  • the capacitive air humidity sensor 1 is used to determine the relative air humidity, the feed lines 9 of the electrodes 3 and 11, 12 of the electrode 4 according to FIG. 3 being connected to a sensor evaluation electronics 13.
  • a temperature sensor 14 for determining the ambient temperature via lines 16, 17 is also connected to this sensor evaluation electronics 13.
  • An air humidity measurement by capacitance measurement of the capacitive air humidity sensor 1 as well as a temperature measurement by evaluation of the signal supplied by the temperature sensor 14 can thus be carried out in the sensor evaluation electronics 13, which at the same time generates a compensation variable for the determination of the exact relative air humidity .
  • the measurement signal for temperature and air humidity can then be removed, which can be displayed by means of a measuring device, not shown in FIG. 3.
  • a measuring device not shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 shows various operating modes of the arrangement according to the invention for heating the capacitive air humidity sensor 1 on the basis of flow charts according to a), b) and c).
  • These flow charts can be stored, for example, as a program in a microprocessor 23 of the sensor evaluation electronics.
  • the flowchart according to FIG. 4b) differs from the flowchart according to FIG. 4a) only in that before the heating (B) is switched on, a measurement of the ambient temperature T and a comparison with a predetermined temperature value TO (for example +10 ° C.) takes place (F). The heating process is then only initiated if the ambient temperature T falls below the predefined temperature value TO.
  • a predetermined temperature value TO for example +10 ° C.
  • a component (G) "Wait time has expired?" inserted in addition to the conditions of the flowchart according to FIG. 4a) and FIG. 4b.
  • the heating is only switched on when a certain waiting time (e.g. 10 hours) has elapsed. This can also be linked to a predefined temperature value TO.

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Abstract

Es wird eine Anordnung zum Bestimmen der relativen Luftfeuchte und Temperatur mittels eines kapazitiven Luftfeuchte-Sensors und einer zugehörigen Sensor-Auswerte-Elektronik vorgeschlagen, wobei der kapazitive Luftfeuchte-Sensor eine Polymer-Schicht als Dielektrikum und zwei elektrisch leitfähige Elektroden aufweist. Für die zeitweise Aufheizung des kapazitiven Luftfeuchte-Sensors ist eine der elektrisch leitfähigen Elektroden als schichtförmiger Heizwiderstand mit mindestens zwei Stromanschlüssen ausgeführt.

Description

Beschreibung
Anordnung zum Bestimmen der relativen Luftfeuchte
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Bestimmen der relativen Luftfeuchte mittels eines kapazitiven Luftfeuchte-Sensors und einer zugehörigen Sensor-Auswerte-Elektronik, wobei der kapazitive Luftfeuchte-Sensor eine Polymer-Schicht als Dielektrikum und zwei elektrisch leitfähige Elektroden aufweist.
Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus DE 28 51 686 bekannt, wobei die dielektrischen Eigenschaften dieser Polymer-Schicht eine Funktion der relativen Luftfeuchtigkeit darstellen. Die Bestimmung der relativen Luftfeuchte erfolgt dabei durch Messung der Kapazität zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Elektroden. Eine Verbesserung von Geschwindigkeit und Genauigkeit der Messung, insbesondere bei hoher relativer Feuchte, soll hierbei durch Aufheizen der Polymer-Schicht erreicht werden. Bei solchen kapazitiven Luftfeuchte-Sensoren hat sich herausgestellt, daß die Polymer-Schichten im Laufe der Lebensdauer durch Fremdstoffe kontaminiert werden. Insbesondere bei häufiger Betauung (das bedeutet, eine Luftfeuchte von etwa 100%) und bei Kälte verbleiben Rückstände in der Schicht, so daß der funktionale Zusammenhang zwischen Kapazität und Luftfeuchte gestört wird. Somit sind Langzeitinstabilitäten bzw. Signaldrift die Folge. Werden nun diese Sensorelemente aufgeheizt, zum Beispiel im Ofen ausgetrocknet, können die Meßwerte auch wieder stabilisiert werden, wobei auch die Fremdstoffe abgebaut sind.
Wenn diese Luftfeuchte-Sensoren für Klima-Anlagen in Gebäuden benutzt werden, werden sie meist regelmäßig gewartet bzw. ausgetauscht. Werden jedoch die Luftfeuchte-Sensoren in Klima-Anlagen von Kraftfahrzeugen eingesetzt, müssen sie unter erschwerten Bedingungen möglichst jahrelang wartungsfrei funktionieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Bestimmen der relativen Luftfeuchte der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die ohne zusätzlichen Wartungsaufwand einwandfrei arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine der elektrisch leitfähigen, metallisierten Elektroden als schichtförmiger Heizwiderstand mit mindestens zwei Stromanschlüssen ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß der kapazitive Luftfeuchte-Sensor in einfacher Weise und jederzeit außerhalb der Meßperioden aufheizbar ist, so daß eventuelle Kontaminationen ausgedampft werden können. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann vorgesehen sein, daß die elektrisch leitfähigen Elektroden auf beiden Seiten der Polymer-Schicht einander gegenüberliegend oder auf einer Seite der Polymer-Schicht nebeneinander angeordnet sind.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Elektroden des kapazitiven Luftfeuchte-Sensors aus Platin bestehen, welches einen relativ hohen spezifischen Widerstand hat und somit in Form einer dünnen Folie als Heizwiderstand besonders geeignet ist. Grundsätzlich ist auch ein anderes edles Metall einsetzbar.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es daher möglich, die Folien-Schichtstärke der Platin-Elektroden so gering auszuführen, daß Feuchtigkeit hindurchdringen kann.
Für die Aufheizung des kapazitiven Luftfeuchte-Sensors wird die als Heizwiderstand ausgeführte Platin-Elektrode in bestimmten Zeitzyklen mit Strom beaufschlagt, wobei es sich als vorteilhaft herausgestellt hat, wenn dies jeweils beim Einschalten der Anordnung erfolgt.
Bei einer anderen Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Heizwiderstand nur bei Unterschreiten eines fest vorgegebenen Wertes der Umgebungstemperatur beim Einschalten des Gerätes kurzzeitig mit Strom beaufschlagt wird. Zur Erfassung der Umgebungstemperatur ist hierbei ein Temperatursensor vorgesehen, welcher an die Sensor-Auswerte-Elektronik angeschlossen ist und eine für die Ermittlung der exakten relativen Luftfeuchtigkeit durch die Sensor-Auswerte-Elektronik entsprechende Kompensationsgröße abgibt.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der Heizwiderstand jeweils nur nach einer fest vorgegebenen Wartezeit mit Strom beaufschlagt wird, was sich als besonders wirtschaftlich und kostensparend erwiesen hat.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung in einer Klima-Anlage, vorzugsweise von Kraftfahrzeugen wegen der jahrelangen wartungsfreien Funktion derartiger Klima-Anlagen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Luftfeuchte-Sensors,
Fig. 2 eine Draufsicht eines Luftfeuchte-Sensors,
Fig. 3 eine Anordnung für den Betrieb eines Luftfeuchte-Sensors und
Fig. 4 a) bis c) Ablaufplane von verschiedenen Heizzyklen für den Luftfeuchte-Sensor.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte kapazitive Luftfeuchte-Sensor 1 besteht im wesentlichen aus einer Polymer-Schicht 2 als Dielektrikum und zwei sich gegenüberliegenden elektrisch leitfähigen (metallisierten) Elektroden 3 und 4. Diese Elektroden 3 und 4 können gemäß einer anderen Ausführungsform auf dem Dielektrikum 2 auch nebeneinander liegen. Die Elektroden 3 und 4 sind mit Stromanschlüssen 6 und 7, 8 versehen, an welche Zuleitungen 9 und 11, 12 angeschlossen sind. Da die Elektrode 4 erfindungsgemäß als Heizwiderstand ausgeführt ist, sind zur zeitweisen Heizstromzuführung zwei Stromanschlüsse 7 und 8 vorgesehen, während die Elektrode 3 nur über einen Stromanschluß 6 verfügt. Über die beiden Stromanschlüsse 7 und 8 ist einerseits - außerhalb der Meßperioden - ein Heizstrom zuführbar und andererseits - während der Meßzeiten - gleichzeitig über den Stromanschluß 6 ein Meßsignal abnehmbar.
Wie bereits oben angegeben, dient der kapazitive Luftfeuchte-Sensor 1 zur Bestimmung der relativen Luftfeuchte, wobei die Zuleitungen 9 der Elektrode 3 und 11, 12 der Elektrode 4 gemäß Fig. 3 mit einer Sensor-Auswerte-Elektronik 13 verbunden sind. An diese Sensor-Auswerte-Elektronik 13 ist weiterhin ein Temperatur-Sensor 14 zur Bestimmung der Umgebungstemperatur über Leitungen 16, 17 angeschlossen. Damit können in der Sensor-Auswerte-Elektronik 13 eine Luftfeuchte-Messung durch Kapazitätsmessung des kapazitiven Luftfeuchte-Sensors 1 sowie eine Temperaturmessung durch Auswertung des vom Temperatur-Sensor 14 gelieferten Signals erfolgen, womit gleichzeitig eine Kompensationsgröße erzeugt wird für die Ermittlung der exakten relativen Luftfeuchtigkeit.
Am Ausgang 18 der Sensor-Auswerte-Elektronik 13 ist dann das Meßsignal für Temperatur und Luftfeuchte abnehmbar, welches mittels eines in Fig. 3 nicht dargestellten Meßgerätes angezeigt werden kann. Über die Zuführungsleitungen 21, 22 kann sowohl ein Strom zum Betrieb der
Sensor-Auswerte-Elektronik 13 als auch ein Heizstrom für den kapazitiven Luftfeuchte-Sensor 1 zugeführt werden.
In Fig. 4 sind anhand von Ablaufplänen gemäß a) , b) und c) verschiedene Betriebsweisen der erfindungsgemäßen Anordnung für die Aufheizung des kapazitiven Luftfeuchte-Sensors 1 dargestellt. Diese Ablaufplane können beispielsweise als Programm in einem Mikroprozessor 23 der Sensor-Auswerte-Elektronik abgelegt sein.
Beim Ablaufplan gemäß Fig. 4a) wird nach dem Einschalten (A) der erfindungsgemäßen Anordnung durch Schließen des Schalters 24 (in Fig. 3) gleichzeitig die Heizung des kapazitiven Luftfeuchte-Sensors 1 eingeschaltet (B) . Beim Prüfen der Heizzeit (C) wird je nach Dauer entweder eine Information "ja" oder "nein" abgegeben und das Heizen unterbrochen (D) oder fortgesetzt. Nach dem Ausschalten der Heizung erfolgt dann die Messung von Temperatur und Feuchte (E).
Der Ablaufplan gemäß Fig. 4b) unterscheidet sich vom Ablaufplan gemäß Fig. 4a) lediglich dadurch, daß vor dem Einschalten der Heizung (B) eine Messung der Umgebungstemperatur T und ein Vergleich mit einem vorgegebenen Temperaturwert TO (von zum Beispiel +10 °C) stattfindet (F). Nur bei Unterschreiten des vorgegebenen Temperaturwertes TO durch die Umgebungstemperatur T wird der Heizvorgang dann eingeleitet.
Beim Ablaufplan gemäß Fig. 4c) ist zusätzlich zu den Bedingungen der Ablaufplane gemäß Fig. 4a) und Fig. 4b) eine Komponente (G) "Wartezeit abgelaufen?" eingefügt. Hierbei wird die Heizung nur dann eingeschaltet, wenn eine gewisse Wartezeit (zum Beispiel 10 Stunden) verstrichen ist. Dieses kann auch mit einem vorgegebenen Temperaturwert TO verknüpft werden.

Claims

Ansprüche
1. Anordnung zum Bestimmen der relativen Luftfeuchte mittels eines kapazitiven Luftfeuchte-Sensors (1) und einer zugehörigen Sensor-Auswerte-Elektronik (13), wobei der kapazitive Luftfeuchte-Sensor eine Polymer-Schicht als Dielektrikum (2) und zwei elektrisch leitfähige Elektroden (3, 4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektrisch leitfähigen, metallisierten Elektroden (4) als schichtförmiger Heizwiderstand mit mindestens zwei Stromanschlüssen (7, 8) ausgeführt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Elektroden (3, 4) auf beiden Seiten der Polymer-Schicht (2) einander gegenüberliegend angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Elektroden (3, 4) auf einer Seite der Polymer-Schicht (2) nebeneinander angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähigen Elektroden (3, 4) aus Platin bestehen.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstärke der Elektroden (3, 4) so gering ist, daß sie feuchtigkeitsdurchlässig sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand in bestimmten Zeitzyklen mit Strom beaufschlagt und damit aufgeheizt wird.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand jeweils beim Einschalten der Anordnung kurzzeitig mit Strom beaufschlagt wird.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand nur bei Unterschreiten eines fest vorgegebenen Wertes der Umgebungstemeperatur beim Einschalten des Gerätes kurzzeitig mit Strom beaufschlagt wird.
9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand jeweils nur nach einer fest vorgegebenen Wartezeit mit Strom beaufschlagt wird.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Umgebungstemperatur ein Temperatursensor (14) vorgesehen ist, welcher an die
Sensor-Auswerte-Elektronik (13) angeschlossen ist und eine für die Ermittlung der exakten relativen Luftfeuchtigkeit durch die Sensor-Auswerte-Elektronik entsprechende Kompensationsgröße abgibt.
11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch deren Integration in einer Klima-Anlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge.
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