EP1521693A1 - Sensoreinheit, vorrichtung und verfahren zur vermeidung von kondensation auf einer oberfl che - Google Patents

Sensoreinheit, vorrichtung und verfahren zur vermeidung von kondensation auf einer oberfl che

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EP1521693A1
EP1521693A1 EP03762484A EP03762484A EP1521693A1 EP 1521693 A1 EP1521693 A1 EP 1521693A1 EP 03762484 A EP03762484 A EP 03762484A EP 03762484 A EP03762484 A EP 03762484A EP 1521693 A1 EP1521693 A1 EP 1521693A1
Authority
EP
European Patent Office
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temperature
dew point
sensor
gas
sensor unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03762484A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhold Barlian
Alfred Böhm
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Bartec GmbH
Original Assignee
Bartec GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1521693A1 publication Critical patent/EP1521693A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/56—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content
    • G01N25/66—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by investigating dew-point
    • G01N25/68—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by investigating dew-point by varying the temperature of a condensing surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60S—SERVICING, CLEANING, REPAIRING, SUPPORTING, LIFTING, OR MANOEUVRING OF VEHICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60S1/00—Cleaning of vehicles
    • B60S1/02—Cleaning windscreens, windows or optical devices
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    • G01N21/59—Transmissivity
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    • G01N25/70—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by investigating dew-point by varying the temperature of the material, e.g. by compression, by expansion

Definitions

  • the present invention relates to a sensor unit according to the preamble of claim 1 and a method for avoiding condensation of a gas, in particular water vapor, on a surface of an object according to the preamble of claim 12. Furthermore, the invention relates to a device for avoiding condensation of a gas. especially water vapor, on a surface of an object.
  • a generic sensor unit for a device for avoiding condensation of a gas, in particular water vapor, on a surface of an object has the following components: a temperature measuring device for measuring an object temperature, a dew point determination device for determining a dew point temperature of the gas in an atmosphere surrounding the object, and a Regulation and control device that is in active connection with the temperature measuring device and with the dew point determination device and with which an adjusting device for increasing a temperature distance between the object temperature and the dew point temperature depending on the data obtained from the temperature measuring device and the dew point determination device can be controlled in such a way that a decrease in the Object temperature at or below the dew point temperature is avoided-
  • the following method steps are carried out: (a) measuring an object temperature, (b).
  • Determining a dew point temperature of the gas in an atmosphere surrounding the object and (c) increasing the object temperature and / or reducing the dew point temperature as a function of the object temperature measured in step (a) and / or the dew point temperature determined in step (b) to avoid a decrease in the Object temperature at or below the dew point temperature.
  • Capacitive moisture sensors determine the "relative humidity" as the actual measurement variable, ie a measurement variable with which the water vapor partial pressure and thus the dew point temperature of the gas can be determined when the temperature is known.
  • the basis for this determination is the relationship between vapor pressure p and drying temperature at a certain relative humidity.
  • the entirety of these curves is usually plotted in an "hx" diagram.
  • the sample gas has different "relative humidities" at different drying temperatures.
  • Decisive for "fogging" or condensing on a surface is the dew point temperature, which can be determined from the curve for 100% relative humidity.
  • Capacitive moisture sensors also have the disadvantage of drifting, i.e. that they are not long-term stable. These drifts occur particularly at high and very low humidity levels, which can be attributed to saturation and drying effects.
  • capacitive humidity sensors are susceptible to contamination, which is noticeable, for example, when smoking in a passenger compartment of a car.
  • the object of the invention is to provide a sensor unit and a method of the type specified above. create which can be used variably and in which condensation can be reliably avoided. Furthermore, the sensor unit should be able to be manufactured particularly inexpensively.
  • a sensor unit of the type specified above is further developed according to the invention in that the dew point determination device is designed as a dew point sensor for direct measurement of the dew point and in that the temperature measuring device is designed as a contactlessly operating temperature sensor.
  • a method of the type mentioned above is further developed according to the invention in that the dew point temperature of the gas is measured directly with a dew point sensor and in that the object
  • a first core idea of the present invention can be seen in the fact that the dew point temperature is no longer determined indirectly by measuring the relative humidity as before, but rather that a direct measurement of the dew point temperature is carried out with the aid of a dew point sensor. Since the uncertainties no longer play a role in determining the relative humidity for the dew point temperature, condensation on the object surface can be prevented much more reliably.
  • a second key concept of the invention relates to the measurement of the object temperature, which is carried out without contact.
  • the sensor unit according to the invention and the experience according to the invention can thus be used in a particularly variable manner. For example, a moving object can also be monitored and condensation on its surface can be avoided.
  • the contactless temperature has the advantage that no energy is extracted from the measurement object. This is particularly advantageous when the temperature of a surface is to be determined, since it is often the case with surface temperature measurements the problem arises that the sensor element used withdraws energy from the surface, which leads to incorrect measurements. Furthermore, the non-contact temperature measurement allows a measuring field to be selected by suitably selecting a distance and an opening angle, which also makes it possible, for example, to measure the surface integrally. Monitoring moving objects can be particularly important for industrial manufacturing processes.
  • the sensor unit according to the invention is inexpensive to manufacture and can be mass-produced in large numbers at a low price.
  • a wetting sensor is preferably used as the dew point sensor.
  • This is a measuring component in which the wetting of a measuring surface with the gas in question, i.e. the condensation of this gas is measured.
  • This has the advantage that the state on the object surface on which condensation is to be prevented is simulated in the dew point sensor itself. In this way, condensation on the object surface can be prevented particularly reliably.
  • a sensor is particularly preferably used as the dew point sensor in which the change in light reflection and / or light scattering, in particular internal reflection, is used as the measuring principle when the gas condenses on a measuring surface.
  • Such sensors are known, for example, from DE 199 32 438 and, in a compact and inexpensive construction, have a very low sensitivity to contamination and, at the same time, are easy to clean.
  • a sensor in which the change in an internal reflection due to condensation of the measurement gas on the measurement surface is measured is particularly preferred, since this change in reflection is largely independent of any contamination, such as dust, on the measurement surface.
  • An infrared sensor can be used as the temperature sensor, in principle any detector suitable for the infrared spectral range can be used, for example a photoresist cell, a thermocouple, a bolometer or a semiconductor detector, such as e.g. a photodiode. However, a thermopile detector is preferably used as the detector. Such detectors are available inexpensively and enable precise temperature measurements.
  • the accuracy of the temperature measurement can be further increased if the temperature sensor is provided with a spectral filter.
  • this can be an 8 - 14 ⁇ m window, i.e. an atmospheric window, act.
  • a further temperature measuring device can also be provided for determining an atmospheric temperature of the atmosphere surrounding the object.
  • a determination of an interior temperature in a passenger compartment of a motor vehicle comes into consideration here.
  • a Corresponding control device can use the measured interior temperature, provided a corresponding dew point distance, the climate in the passenger compartment can be controlled in the comfort zone. This has considerable advantages for the occupants.
  • the sensor unit according to the invention is accommodated in a common housing.
  • a compact structure enables the sensor unit to be used in a variety of ways and easily exchangeable.
  • the invention also relates to a device for avoiding condensation of a gas, in particular water vapor, on a surface of an object, which has a sensor unit according to the invention, as well as an actuating device for increasing a temperature difference between the object temperature and the dew point temperature.
  • the actuating device can be designed as a heating device. This can be a device for direct heating of the object, such as a rear window heater, and / or a device for indirect heating of the object, such as a heating fan.
  • the actuating device is preferably designed as a drying device for reducing a gas portion, in particular a water vapor content, in the atmosphere surrounding the object.
  • the device according to the invention has a main area of use as a device for preventing fogging of the window panes of a motor vehicle. Because of the above-described differences in principle of the sensor unit according to the invention compared to the prior art and the advantages achieved thereby, condensation of water vapor on the window panes, i.e. a "fogging", prevented particularly reliably and thus the safety for the passengers are significantly increased.
  • control device is preferably controlled by the regulating and control device in such a way that the temperature distance between the object temperature and the dew point temperature is kept above a predetermined minimum temperature distance.
  • Fig. 1 is a schematic view of a device according to the invention with a sensor unit according to the invention and
  • Fig. 2 is a schematic view of a dew point sensor of the type that can be used in the sensor unit according to the invention.
  • the device shown in FIG. 1 has a sensor unit 10 according to the invention and an actuating device 18, which can be, for example, a heating fan or a rear window heater.
  • a temperature sensor 40 as a temperature measuring device 12, which is a thermopile sensor, the surface temperature of an object 20 is determined.
  • the temperature sensor 40 detects the infrared radiation of a measurement spot 22 on the surface 21 of the object 20 without contact, an acceptance area of the temperature sensor 40 being schematically represented by an opening cone 13.
  • the temperature sensor 40 is connected to a regulating and control device 16.
  • the sensor device 10 also has a dew point sensor 50 as a dew point determination device 14, which is also connected to the regulating and control device 16. With the help of the dew point sensor 50, a dew point temperature of a schematically represented gas 28 is determined, which can in particular be water vapor and which surrounds the object.
  • the dew point sensor 50 is preferably designed as a wetting sensor and in particular as a sensor of the type described in DE 199 32 438.
  • Temperature sensor 40, dew point sensor 50 and regulating and control device 16 are accommodated in a common housing 26, so that a very compact construction is ensured.
  • the measured surface temperature serves as a reference variable. If there is a critical temperature difference between the object temperature and the dew point temperature that entails the risk of condensation, appropriate remedial measures must be taken.
  • the climate By determining the actual (real) dew point temperature, it is possible to carry out several actions in a targeted manner.
  • the climate assuming a corresponding temperature distance from the dew point, can be regulated in the comfort zone. This has considerable advantages for the occupants.
  • the object temperature is used as a reference variable for this.
  • the dew point sensor 50 is regulated to a temperature which is below the object temperature by the ⁇ DT value (for example 5 C). As soon as. Condensation occurs at the dew point sensor 50, the actions a) to d) executed.
  • the actions can be designed differently depending on the object temperature.
  • FIG. 2 shows a dew point sensor of the type which is preferably used in the sensor unit according to the invention.
  • the core component of this sensor is an arrangement of a light guide 52, into which light 56 from a transmitter or a source 54, which can be, for example, a light emitting diode, is coupled. After a plurality of internal reflections on the outer surfaces of the light guide 52, outcoupled light 66 reaches a receiver 68, which can be a photodiode.
  • a Peltier element 74 with which the light guide 52 can be cooled in a defined manner, is attached to a rear side of the light guide 52.
  • the Peltier element 74 cools the light guide 52 until a gas 28 to be examined, which can in particular be water vapor, condenses on an outer surface 60 of the light guide 52.
  • a gas 28 to be examined which can in particular be water vapor
  • Such a condensation layer 58 is shown schematically in the left region of the surface 60 of the light guide 52.
  • the sensor 50 shown in FIG. 2 has the particular advantage that dirt particles 64 cause almost no deterioration in the measurement accuracy, since these dirt particles, as long as they are dry, only in one because of their negligible contact area with the surface 60 of the light guide 62 compared to the total area negligible area share cause a change in the critical angle for total reflection.
  • the entire dew point sensor 50 is compactly arranged in a transistor housing 70, on the underside of which connections 72 are provided for actuating the transmitter 54, the Peltier element 74 and for reading out a signal from the receiver 68.
  • the dew point sensor 50 shown is characterized by a very small, compact design, which is designed for mass production, and by its traceability. Because of the measurement principle used, a change in reflection in the case of condensation on a measurement surface, it is a primary method in which a back calculation to the actual size to be determined, here: the dew point temperature, is not necessary, so that high accuracy can be achieved.
  • the signs of aging in such a sensor are compared, e.g. with capacitive sensors, minimal.
  • the sensor actively simulates what would take place on the pane at the appropriate temperature, i.e. if necessary, condensation.
  • the dew point sensor 50 Due to the measuring principle used, the dew point sensor 50 already has a high long-term stability, so that recalibrations are not necessary. A low maintenance and. maintenance-friendly operation is also thanks to the Extensive insensitivity to soiling explained above and also achieved by the easy cleanability of the sensor. These advantageous properties of the dew point sensor 50 thus permit measurements, in particular also in-situ measurements in dusts, granules, such as, for example, grain, etc. o
  • the sensor can be used from -40 to +100 C.
  • the temperature range can be expanded, in which case the Peltier element used is limiting.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit für eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts, mit einer Temperaturmesseinrichtung zum Messen einer Objekttemperatur, mit einer Taupunktbestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur des Gases in einer das Objekt umgebenden Atmosphäre und mit einer Regel- und Steuereinrichtung, die mit der Temperaturmesseinrichtung und mit der Taupunktbestimmungseinrichtung in Wirkverbindung steht und mit welcher eine Stelleinrichtung zur Erhöhung eines Temperaturabstands zwischen der Objekttemperatur und der Taupunkttemperatur in Abhängigkeit der von der Temperaturmesseinrichtung und der Taupunktbestimmungseinrichtung gewonnenen Daten so steuerbar ist, dass ein Absinken der Objekttemperatur auf oder unter die Taupunkttemperatur vermieden wird. Die Sensoreinheit ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Taupunktbestimmungseinrichtung als Taupunktsensor zur direkten Messung des Taupunkts ausgebildet ist und die Temperaturmesseinrichtung als berührungslos arbeitender Temperatursensor ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts.

Description

Sensoreinheit, Vorrichtung und Verfahren zur Vermeidung von Kondensation auf einer Oberfläche
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts.
Eine gattungsgemäße Sensoreinheit für eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts, weist folgende Komponenten auf : Eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen einer Objekttemperatur, eine Taupunktbestimmungseinrichtung zu Bestimmung einer Taupunkttemperatur des Gases in einer das Objekt umgebenden Atmosphäre und eine Regel- und Steuereinrichung, die mit der Temperaturmesseinrichtung und mit der Taupunktbestimmungseinrichtung in Wirkverbindung steht und mit welcher eine Stelleinrichtung zur Erhöhung eines Temperaturabstands zwischen der Objekttemperatur und der Taupunkttemperatur in Abhängigkeit der von der Temperaturmesseinrichtung und der Taupunktbestimmungseinrichtung gewonnenen Daten so steuerbar ist, dass ein Absinken der Objekttemperatur auf oder unter die Taupunkttemperatur vermieden wird- Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere von Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts werden folgende Verfahrens- schritte durchgeführt: (a) Messen einer Objekttemperatur, (b). Bestimmen einer Taupunkttemperatur des Gases in einer das Objekt umgebenden Atmosphäre und (c) Erhöhen der Objekttemperatur und/oder Reduzierung der Taupunkttemperatur in Abhängigkeit der in Schritt (a) gemessenen Objekttemperatur und/oder der in Schritt (b) bestimmten Taupunkttemperatur zur Vermeidung eines Absinkens der Objekttemperatur auf oder unter die Taupunkttemperatu .
Anwendungsbereiche für derartige Sensoreinheiten bzw. für ein solches Verfahren finden sich in der Verfahrenstechnik, aber auch in der Automobiltechnik. Dort ist es von großer Bedeutung, die Kondensation, insbesondere von Wasserdampf, an Oberflächen zu vermeiden. Beispielsweise kann es im Autoverkehr durch "Beschlagen" der Windschutzscheibe zu gefährlichen Situationen kommen.
Bisher werden derartige Sensoreinheiten mit kapazitiven oder auf einer Leitfähigkeitsmessung beruhenden Feuchtesensoren in Verbindung mit einem berührenden Temperatursensor realisiert. Kapazitive Feuchtesensoren ermitteln als eigentliche Messgröße die "relative Feuchte", d.h. eine Messgröße, mit der sich bei Kenntnis der Temperatur der Wasserdampfpartialdruck und damit die Taupunkttemperatur des Gases bestimmen lässt. Grundlage für diese Bestimmung ist der Zusammenhang zwischen Dampfdruck p und Trockentemperatur bei einer bestimmten relativen Feuchtigkeit. Die Gesamtheit dieser Kurven wird üblicherweise in einem "hx" -Diagramm aufgetragen. Bei gleichem Dampfdruck p , d.h. bei gleichem Wasserdampfgehalt x ( in g/kg), weist das Messgas bei unterschiedlichen Trockentemperaturen unterschiedliche "relative Feuchten" auf. Entscheidend für das "Beschlagen" oder das Kondensieren auf einer Oberfläche ist die Taupunkttemperatur, welche aus der Kurve für 100 % relative Feuchtigkeit ermittelt werden kann.
Da die Kurven der "Relativen Feuchtigkeit", die auch als RH-Kurven bezeichnet und die Trockentemperatur in Abhängigkeit des Dampfdrucks bei einer bestimmten relativen Feuchte o angeben, im Bereich unter 0 C eine sehr große Steigung aufweisen, nimmt die Empfindlichkeit der Taupunktbestimmung in diesem Bereich stark ab.
Kapazitive Feuchtesensoren weisen ferner den Nachteil von Driften auf, d.h. dass sie nicht langzeitstabil sind. Diese Driften treten besonders bei hohen und bei sehr niedrigen Feuchten auf, was auf Sättigungs- bzw. Austrocknungseffekte zurückzuführen ist.
Schließlich sind kapazitive Feuchtesensoren verschmutzungs- anfällig, was sich beispielsweise nachteilig bemerkbar macht, wenn in einer Fahrgastzelle eines PKW geraucht wird.
A u f g a b e der Erfindung ist es, eine Sensoreinheit und ein Verfahren der oben angegebenen Art zu. schaffen, welches variabel einsetzbar ist und bei welchen eine Kondensation zuverlässig vermieden werden kann. Weiterhin soll die Sensoreinheit besonders kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensoreinheit sowie bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche. Eine Sensoreinheit der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Taupunktbestimmungseinrichtung als Taupunktsensor zur direkten Messung des Taupunkts ausgebildet ist und dass die Temperaturmesseinrichtung als berührungslos arbeitender Temperatursensor ausgebildet ist.
Entsprechend ist ein Verfahren der oben genannten Art erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Taupunkttemperatur des Gases mit einem Taupunktsensor direkt gemessen wird und dass die Objek|ttemperatur berührungslos gemessen wird.
Ein erster Kerngedanke der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, dass die Taupunkttemperatur nicht mehr wie bisher durch Messung der relativen Feuchte indirekt bestimmt wird, sondern dass vielmehr mit Hilfe eines Taupunktsensors eine direkte Messung der Taupunkttemperatur vorgenommen wird. Da somit die Unsicherheiten bei der Bestimmung der relativen Feuchte für die Taupunkttemperatur keine Rolle mehr spielen, kann eine Kondensation auf der Objektoberfläche wesentlich zuverlässiger verhindert werden.
Ein zweiter Kerngedanke der Erfindung betrifft die Messung der Objekttemperatur, welche berührungslos erfolgt. Die erfindungsgemäße Sensoreinheit und das erfindungsgemäße Erfahren sind somit besonders variabel einsetzbar. Beispielsweise kann auch ein sich bewegendes Objekt überwacht und eine Kondensation auf dessen Oberfläche vermieden werden.
Die berührungslose Temperatur hat den Vorteil, dass dem Messobjekt keine Energie entzogen wird. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Temperatur einer Oberfläche bestimmt werden soll, da bei Oberflächen-Temperaturmessungen häufig das Problem auftritt, dass das verwendete Sensorelement der Oberfläche Energie entzieht, was zu Fehlmessungen führt. Weiterhin kann durch die berührungslose Temperaturmessung ein Messfeld durch geeignete Wahl eines Abstands und eines Öffnungswinkels gewählt werden, wodurch beispielsweise auch eine integrale Messung der Oberfläche möglich wird. Eine Überwachung von sich bewegenden Objekten kann insbesondere für industrielle Fertigungsprozesse von Bedeutung sein.
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit ist kostengünstig herstellbar und kann in Massenfertigung in großen Stückzahlen zu einem niedrigen Preis produziert werden.
Als Taupunktsensor wird bevorzugt ein Benetzungssensor eingesetzt. Hierbei handelt es sich um eine Messkomponente, bei welcher die Benetzung einer Messoberfläche mit dem fraglichen Gas, d.h. die Kondensation dieses Gases, gemessen wird. Hierdurch wird als Vorteil erreicht, dass der Zustand auf der Objektoberfläche, auf welcher eine Kondensation verhindert werden soll, in dem Taupunk sensor selbst nachgebildet wird. Auf diese Weise kann eine Kondensation auf der Objektoberfläche besonders zuverlässig verhindert werden.
Besonders bevorzugt wird als Taupunktsensor dabei ein Sensor verwendet, bei welchem als Messprinzip die Änderung einer Lichtreflexion und/oder LichtStreuung, insbesondere einer internen Reflexion, bei Kondensation des Gases auf einer Messoberfläche ausgenutzt wird.
Solche Sensoren sind beispielsweise aus DE 199 32 438 bekannt und weisen bei kompaktem und preiswertem Aufbau eine sehr geringe Verschmutzungsempfindlichkeit bei gleichzeitig einfacher Reinigbarke t auf. Die optischen Eigen- schaften einer Oberfläche, insbesondere deren Reflektivität ändern sich sehr stark, wenn diese Oberfläche mit einem Gas benetzt wird, d.h. wenn dieses Gas auf der Oberfläche kondensiert. Dies ermöglicht eine sehr präzise Bestimmung der Taupunkttemperatur.
Besonders bevorzugt ist dabei ein Sensor, bei welchem die Änderung einer internen Reflexion aufgrund Kondensation des Messgases auf der Messoberfläche gemessen wird, da diese Reflexionsänderung weitgehend unabhängig von eventuellen Verschmutzungen, wie beispielsweise Staub, auf der Messoberfläche ist.
Als Temperatursensor kann ein Infrarot-Sensor eingesetzt werden, wobei prinzipiell jeder für den Infrarot-Spektralbereich geeignete Detektor Verwendung finden kann, beispielsweise eine Photowiderstandszelle, ein Thermoelement, ein Bolometer oder ein Halbleiterdetektor, wie z.B. eine Photodiode. Bevorzugt wird aber als Detektor ein Thermo- pile-Detektor verwendet. Solche Detektoren sind kostengünstig erhältlich und ermöglichen dabei genaue Temperaturmessungen.
Die Genauigkeit der Temperaturmessung kann weiter erhöht werden, wenn der Temperatursensor mit einem spektralen Filter versehen ist. Hierbei kann es sich insbesondere um ein 8 - 14 μm-Fenster, d.h. ein atmosphärisches Fenster, handeln.
Es kann außerdem eine weitere Temperaturmesseinrichtung zur Bestimmung einer Atmosphärentemperatur der das Objekt umgebenden Atmosphäre vorgesehen sein. Insbesondere kommt hierbei eine Bestimmung einer Innenraumtemperatur in einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs in Betracht. Mit einer entsprechenden Regeleinrichtung kann unter Verwendung der gemessenen Innenraumtemperatur, einen entsprechenden Taupunktabstand vorausgesetzt, das Klima in der Fahrgastzelle in den Behaglichkeitsbereich geregelt werden. Dies bringt für die Insassen erhebliche Vorteile mit sich.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Sensoreinheit in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Ein solcher kompakter Aufbau ermöglich eine vielfältige Einsetzbarkeit und leichte Austauschbarkeit der Sensoreinhei .
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts, welche eine erfindungsgemäße Sensoreinheit, sowie weiterhin eine Stelleinrichtung zur Erhöhung eines Temperaturabstands zwischen Objekttemperatur und Taupunkttemperatur aufweist.
Mit einer solchen Vorrichtung oder einem solchen System werden ebenfalls die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Sensoreinheit erläuterten Vorteile erzielt.
Die Stelleinrichtung kann dabei als Erwärmungseinrichtung ausgebildet sein. Hierbei kann es sich um eine Einrichtung zur direkten Erwärmung des Objekts, wie beispielsweise eine Heckscheibenheizung, und/oder um eine Einrichtung zur indirekten Erwärmung des Objekts, wie beispielsweise ein Heizgebläse, handeln.
Sollte aus bestimmten, beispielsweise verfahrenstechnischen Gründen, eine Erwärmung des Objekts unerwünscht sein, kann ein höherer Temperaturabstand zwischen Objekttemperatur und Taupunkttemperatur gleichwohl, durch Absenkung der Taupunkt- temperatur erreicht werden. In diesem Fall ist die Stelleinrichtung bevorzugt als Trocknungseinrichtung zur Reduzierung eines Gasanteils, insbesondere eines Wasserdampfge- halts, in der das Objekt umgebenden Atmosphäre ausgebildet.
Einen Haupteinsatzbereich findet die erfindungsgemäße Vorrichtung als Vorrichtung zum Verhindern des Beschlagens der Fensterscheiben eines Kraftfahrzeugs. Wegen der oben beschriebenen prinzipiellen Unterschiede der erfindungsgemäßen Sensoreinheit im Vergleich zum Stand der Technik und der dadurch erzielten Vorteile kann mit einer solchen Vorrichtung eine Kondensation von Wasserdampf auf den Fensterscheiben, d.h. ein "Beschlagen", besonders zuverlässig verhindert und somit die Sicherheit für die Fahrgäste deutlich erhöht werden.
In regelungs echnischer Hinsicht erfolgt die Ansteuerung der Stelleinrichtung durch die Regel- und Steuereinrichtung bevorzugt so, dass der Temperaturabstand zwischen Objekttemperatur und Taupunkttemperatur über einem vorbestimmten Mindesttemperaturabstand gehalten wird.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sensoreinheit und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben.
Dort zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit sowie
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Taupunktsensors von der Art, wie er bei der erfindungsgemäßen Sensoreinheit eingesetzt werden kann. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung weist eine erfindungsgemäße Sensoreinheit 10 und eine Stelleinrichtung 18, bei welcher es sich beispielsweise um ein Heizgebläse oder eine Heckscheibenheizung handeln kann, auf. Mit Hilfe eines Temperatursensors 40 als Temperaturmesseinrichtung 12, bei dem es sich um einen Thermopile-Sensor handelt, wird die Oberflächentemperatur eines Objekts 20 ermittelt. Der Temperatursensor 40 erfasst berührungslos die Infrarotstrahlung eines Messflecks 22 auf der Oberfläche 21 des Objekts 20, wobei ein Akzeptanzbereich des Temperatursensors 40 durch einen Öffnungskegel 13 schematisch dargestellt ist. Der Temperatursensor 40 ist mit einer Regel- und Steuereinrichtung 16 verbunden.
Die Sensoreinrichtung 10 weist weiterhin einen Taupunktsensor 50 als Taupunktbestimmungseinrichtung 14 auf, der ebenfalls mit der Regel- und Steuereinrichtung 16 verbunden ist. Mit Hilfe des Taupunktsensors 50 wird eine Taupunkttemperatur eines schematisch dargestellten Gases 28, wobei es sich insbesondere um Wasserdampf handeln kann und welches das Objekt umgibt, bestimmt. Der Taupunktsensor 50 ist dabei bevorzugt als Benetzungssensor und insbesondere als Sensor der in DE 199 32 438 beschriebenen Art ausgebildet.
Temperatursensor 40, Taupunktsensor 50 und Regel- und Steuereinrichtung 16 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 26 untergebracht, so dass ein sehr kompakter Aufbau gewährleistet ist. Die Stelleinrichtung 18, bei welcher es sich beispielsweise um ein Heizgebläse, aber auch um eine Heckscheibenheizung handeln kann, wird von der Regel- und Steuereinrichtung 16 so angesteuert, dass eine Kondensation des Gases 28, also beispielsweise von Wasserdampf, auf der Oberfläche 21 des Objekts 20 verhindert wird. Die gemessene Oberflächentemperatur dient dabei als Führungs- größe. Stellt sich zwischen der Objekttemperatur und der Taupunkttemperatur ein kritischer Temperaturabstand ein, der die Gefahr der Kondensation mit sich bringt, so sind entsprechende Abhilfemaßnahmen durchzuführen.
Als Maßnahmen können folgende Aktionen durchgeführt werden:
a) Erwärmen des Objektes 20 (Temperaturabstand zwischen Ob- jekttemperatur und Taupunkttemperatur wird größer) ;
b) "Trocknen" der das Objekt umgebenden Atmosphäre (Taupunkttemperatur sinkt, d.h. Temperaturabstand zwischen Objekttemperatur und Taupunkttemperatur wird größer) ;
c) indirekte Erwärmung des Objektes durch Erwärmen des Gases (Effekt wie bei a)) oder
d) eine Kombinaton aus den Möglichkeiten a) bis c).
Durch die Bestimmung der tatsächlichen (realen) Taupunkttemperatur ist es möglich, gezielt mehrere Aktionen durchzuführen. Außerdem kann bei zusätzlicher Kenntnis z.B. der Innenraumtemperatur einer Fahrgastzelle das Klima, einen entsprechenden Temperaturabstand zum Taupunkt vorausgesetzt, in den Behaglichkeitsbereich geregelt werden. Dies bringt für die Insassen erhebliche Vorteile mit sich.
Ist eine einfache Antibeschlagseinrichtung erforderlich, so kann es vorteilhaft sein, eine einfache ΔDT-Steuerung einzuführen. Hierzu wird die Objekttemperatur als Führungsgröße verwendet. Der Taupunktsensor 50 wird auf eine Temperatur geregelt, die um den ΔDT-Wert (z.B. 5 C) unter der Objekttemperatur liegt. Sobald. Betauung am Taupunktsensor 50 auftritt, werden die Aktionen a) bis d) ausgeführt. Die Aktionen können in Abhängigkeit von der Objekttemperatur unterschiedlich gestaltet sein.
Fig. 2 zeigt einen Taupunktsensor von der Art, wie er bevorzugt bei der erfindungsgemäßen Sensoreinheit eingesetzt wird.
Kernbestandteil dieses Sensors ist eine Anordnung eines Lichtleiters 52, in welchen Licht 56 aus einem Sender oder einer Quelle 54, bei welcher es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode handeln kann, eingekoppelt wird. Nach einer Mehrzahl von internen Reflexionen an den Außenflächen des Lichtleiters 52 gelangt ausgekoppeltes Licht 66 auf einen Empfänger 68, bei welchem es sich um eine Photodiode handeln kann. An einer Rückseite des Lichtleiters 52 ist ein Peltierelement 74 angebracht, mit welchem der Lichtleiter 52 definiert abgekühlt werden kann.
Bei der Messung kühlt das Peltierelement 74 den Lichtleiter 52 so lange ab, bis ein zu untersuchendes Gas 28, bei dem es sich insbesondere um Wasserdampf handeln kann, an einer außen liegenden Oberfläche 60 des Lichtleiters 52 kondensiert. Eine solche Kondensationsschicht 58 ist schematisch im linken Bereich der Oberfläche 60 des Lichtleiters 52 dargestellt. Durch die Benetzung der Oberfläche 60, beispielsweise mit Wasser, steigt der kritische Winkel für die interne Reflexion über den Einfallswinkel des Lichts 56 gegenüber der Oberflächennormale der Oberfläche 60 an, so dass dieses Licht nicht mehr, wie bisher, an der inneren Grenzfläche total reflektiert wird, sondern aus dem Lichtleiter 52 ausgekoppelt wird. Wegen dieses Anteils an ausgekoppeltem Licht 62 sinkt die im Empfänger 68 nachgewiesene Intensität, worauf auf eine Benetzung der Oberfläche 60 und somit auf ein Erreichen der Taupunkttemperatur geschlossen werden kann. Der in Fig. 2 gezeigte Sensor 50 weist als besonderen Vorteil auf, dass Schmutzpartikel 64 nahezu keine Verschlechterung der Messgenauigkeit bewirken, da diese Schmutzpartikel, solange sie trocken sind, wegen ihrer gegenüber der Gesamtfläche vernachlässigbaren Kontaktfläche mit der Oberfläche 60 des Lichtleiters 62 nur in einem vernachlässigbaren Flächenanteil eine Änderung des kritischen Winkels für Totalreflexion bewirken.
Der gesamte Taupunktsensor 50 ist kompakt in einem Transistorgehäuse 70 angeordnet, an dessen Unterseite Anschlüsse 72 zum Ansteuern des Senders 54, des Peltierele- ments 74 sowie zum Auslesen eines Signals des Empfängers 68 vorgesehen sind.
Der dargestellte Taupunktsensor 50 zeichnet sich durch eine sehr kleine, kompakte Bauweise, welche für eine Massenproduktion konzipiert ist, sowie durch seine Rückführbarkeit aus. Wegen des verwendeten Messprinzips einer Reflexionsänderung bei Kondensation auf einer Messoberfläche handelt es sich um ein Primärverfahren, bei welchen eine Rückrechnung auf die eigentlich zu bestimmende Größe, hier: die Taupunkttemperatur, nicht notwendig ist, so dass eine hohe Genauigkeit erzielt werden kann. Die Alterungserscheinungen sind bei einem solchen Sensor, verglichen z.B. mit kapazitiven Sensoren, minimal. Außerdem wird durch den Sensor aktiv nachgebildet, was an der Scheibe bei entsprechender Temperatur stattfinden würde, d.h. gegebenenfalls Betauung.
Der Taupunktsensor 50 weist bereits aufgrund des verwendeten Messprinzips eine hohe Langzeitstabilität auf, so dass Nachkalibrierungen nicht nötig sind. Ein wartungsarmer und. wartungsfreundlicher Betrieb wird, darüber hinaus durch die oben erläuterte weitgehende Unempfindlichkeit gegen Verschmutzungen und darüber hinaus auch durch die leichte Reinigbarkeit des Sensors erzielt. Diese vorteilhaften Eigenschaften des Taupunktsensors 50 gestatten somit Messungen, insbesondere auch In-situ-Messungen in Stäuben, Granulaten, wie beispielsweise Getreide, usw. o
Der Sensor ist von -40 bis +100 C einsetzbar. Bei Verwendung von Lichtleitern anstelle der Sender-Empfänger kann der Temperaturbereich noch erweitert werden, wobei in diesem Fall das verwendete Peltier-Element begrenzend ist.
Damit ist auch der Feuchteeinsatzbereich definiert. Da das Sensorprinzip auf Sättigung basiert, wird er immer an 100% RH adaptiert.
Mögliche Einsatzgebiete der erfindungsgemäßen Sensoreinheit des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich neben der Verfahrens-, der Klima-, der Medizin- und der Lebensmitteltechnik vor allem, wie oben beschrieben, in der Automobil- technik. Darüber hinaus sind aber auch Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Bereich der Qualitätssicherung möglich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Sensoreinheit für eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts,
- mit einer Temperaturmesseinrichtung (12) zum Messen einer Objekttemperatur,
- mit einer Taupunktbestimmungseinrichtung (14) zur Bestimmung einer Taupunkttemperatur des Gases in einer das Objekt (20) umgebenden Atmosphäre und
- mit einer Regel- und Steuereinrichtung (16), die mit der Remperaturmesseinrichtung (12) und mit der Taupunktbestimmungseinrichtung ( 14 ) in Wirkverbindung steht und mit welcher eine Stelleinrichtung
( 18 ) zur Erhöhung eines Temperaturabstands zwischen der Objekttemperatur und der Taupunkttemperatur in Abhängigkeit der von der Temperaturmesseinrichtung (12) und der Taupunktbestimmungseinrichtung (14) gewonnenen Daten so steuerbar ist, dass ein Absinken der Objekttemperatur auf oder unter die Taupunkttemperatur vermieden wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass die Taupunktbestimmungseinrichtung (14) als Taupunktsensor (50) zur direkten Messung des Taupunkts ausgebildet ist, und
- dass die Temperaturmesseinrichtung ( 12 ) als berührungslos arbeitender Temperatursensor ausgebildet ist.
2. Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Temperatursensor als Infrarot-Sensor ausgebildet ist.
3. Sensoreinheit nach Anspruch 2 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Temperatursensor ein Thermopile-Sensor ist.
4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Temperatursensor mit einem spektralen Filter versehen ist.
5. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Taupunktsensor (50) ein Sensor ist, bei welchem als Messprinzip die Änderung einer Lichtreflexion und/oder LichtStreuung, insbesondere einer internen Reflexion, bei Kondensation des Gases auf einer Messoberfläche (52) ausgenutzt wird.
6. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass eine weitere Temperaturmesseinrichtung zur Bestimmung einer Atmosphärentemperatur der das Objekt (20) umgebenden Atmosphäre (28), insbesondere eine Innenraumtemperatur in einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen ist.
7. Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche in einem gemeinsamen Gehäuse (26) untergebracht ist.
8. Vorrichtung zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts, mit einer Sensoreinheit ( 10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und mit einer Stelleinrichtung (18) zur Erhöhung eines Temperaturabstands zwischen Objekttemperatur und Tautemperatur.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stelleinrichtung als Erwärmungseinrichtung zur direkten und/oder indirekten Erwärmung des Objekts ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stelleinrichtung als Trocknungseinrichtung zur Reduzierung eines Gasanteils, insbesondere eines Wasserdampfgehalts, in der das Objekt umgebenden Atmosphäre ausgebildet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, welche als Vorrichtung zum Verhindern des Beschlagens der Fensterscheiben eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
12. Verfahren zur Vermeidung von Kondensation eines Gases, insbesondere von Wasserdampf, auf einer Oberfläche eines Objekts, mit den Verfahrensschritten:
(a) Messen einer Objekttemperatur,
(b) Bestimmen einer Taupunkttemperatur des Gases in einer das Objekt umgebenden Atmosphäre, (c) Erhöhen der Objekttemperatur und/oder Reduzierung der Taupunkttemperatur in Abhängigkeit der in Schritt (a) gemessenen Objekttemperatur und/oder der in Schritt ( b ) bestimmten Taupunkttemperatur zur Vermeidung eines Absinkens der Objekttemperatur auf oder unter die Taupunkttemperatur, dadurch g e k e n n z e i c h n e t ,
- dass die Taupunkttemperatur des Gases mit einem Taupunktsensor direkt gemessen wird und
- dass die Objekttemperatur berührungslos gemessen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Temperaturabstand zwischen Objekttemperatur und Taupunkttemperatur durch eine Regel- und Steuereinrichtung (16) über einem vorbestimmten Mindesttem- peraturabstand gehalten wird.
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