EP1711810A1 - Method and system for determining the parameters of a process medium - Google Patents

Method and system for determining the parameters of a process medium

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Publication number
EP1711810A1
EP1711810A1 EP05714922A EP05714922A EP1711810A1 EP 1711810 A1 EP1711810 A1 EP 1711810A1 EP 05714922 A EP05714922 A EP 05714922A EP 05714922 A EP05714922 A EP 05714922A EP 1711810 A1 EP1711810 A1 EP 1711810A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
sensors
temperature
measurement
arrangement according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05714922A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Konrad Hasche
Barbara March
Arndt Stenke
Hans-Joachim Speck
Geert Brokmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Original Assignee
CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH filed Critical CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Publication of EP1711810A1 publication Critical patent/EP1711810A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for determining parameters of a process medium, in particular for determining the concentration of one or more gases, using at least one gas-sensitive sensor.
  • Process gases are understood to mean different gases and / or liquids.
  • Ambient conditions a number of error possibilities that affect the short and long-term measurement accuracy.
  • Such influencing variables are, for example, measurements under extreme temperatures, measurements of high or very low gas concentrations, the occurrence of condensation or condensation as well as contamination.
  • the disadvantage here is that only a compensation of the output signal takes place or a necessary cleaning of the sensor is signaled.
  • DE 698 02 449 T2 describes a method for measuring the concentration of at least one gas component in a measurement gas by means of a resistance sensor exposed to the measurement gas, the concentration being determined from the partial pressure of the gas component derived from the resistance measurement.
  • the measures to combat contamination by heating the sensor arrangement are limited by its properties.
  • there are restrictions due to the properties of the contact and conductor track systems, different coefficients of thermal expansion, special features of additional components such as Peltier elements in the case of condensation sensors, temperature compatibility of the sensitive layers, and the like thermoelectric element located below the sensor is limited by the limit parameters of the Peltier element. It is also possible that local overheating leads to impairment and degradation of materials, in particular contacts, and thus significantly reduce long-term reliability.
  • the surface is usually heated to evaporate contaminants using a Peltier element or an integrated heater.
  • a Peltier element or an integrated heater.
  • Relative humidity sensors also generally have a greater drift and / or hysteresis at high temperatures. If the relative humidity is well below 10%, there is a risk of the sensitive layer drying out.
  • a general disadvantage of the known solutions is that no real-time information about the degree of contamination and its influence on the accuracy can be made.
  • a method described in EP 0 829 008 B1 attempts to close the moisture sensors exposed to the process air without removing them calibrate. This is done with a very complex bypass solution, in which the humidity sensors are calibrated in a circuit that is separate from the process air using a thawing mirror hygrometer. The calibration is therefore not carried out directly in the process air.
  • the invention has for its object to provide a ner driving and an arrangement of the type mentioned that enables in-situ and timely, both to make a statement about the current value of parameters of a process medium, as well as the accuracy of the measurement.
  • the object is achieved according to the invention with a ner driving, which has the features specified in claim 1, and with a device, which has the features specified in claim 14.
  • At least one sensor is directly and continuously exposed to the process medium, but is operated away from the optimum working point for an accurate measurement. Only for the duration of a measurement, or for the duration of a reference measurement, with others
  • the operating settings for the sensor are brought to the optimum working point.
  • the operating settings are then brought back to values that are gentle on the sensor.
  • a single process sensor can be arranged in this medium, the operating settings of which are brought into the optimal working range only during selected times.
  • a plurality of sensors can also be arranged which are operated in this way.
  • individual sensors can either be used as process sensors, which are always in the optimal working range with regard to the operating settings, or as reference sensors, the operating settings of which are only used for monitoring, control, calibration and / or compensation purposes in the optimum
  • reference sensors are advantageously used, the temperature of which for the exact measurement is set to a value which lies between the temperature of the process air and the dew point temperature.
  • a temperature is specified for the setting, which is monitored with a separate detection system. It is also possible to set the target state on the sensor by monitoring a signal quantity relevant to the condensate, such as water mass, reflectance, conductivity or capacitance. The temperature is set to a specified value using
  • Cooling elements that are controlled by control electronics.
  • the operating conditions of the sensor can be brought to the values suitable for an optimal measurement at predetermined times or at any time. It is also possible for the sensor to trigger a signal if a value is averaged that is outside of a predetermined tolerance range, and then the optimal working point for an accurate measurement is set.
  • the measurements can preferably be carried out when the sensors have assumed the temperature of the surrounding medium. For certain applications, it can also be advantageous to carry out the measurements when the sensors have reached a temperature which is between the temperature of the medium and the dew point temperature or which is above the temperature of the sensors.
  • the temperature is set using a cooling system which is connected to the sensor, possibly with the interposition of a defined thermal resistance, and is controlled by control electronics. To monitor the sensor temperature, these can be provided with a temperature measuring arrangement, preferably with an electrical measuring resistor.
  • the setting of the temperature can also be monitored by a quantity relevant to the condensate, for example water mass, degree of reflection, conductivity or capacitance.
  • FIG. 1 shows possibilities for arranging the sensor in a measuring arrangement for flowing media
  • FIG. 2 shows arrangement possibilities for cooling devices Sensors.
  • FIG. 1 shows different arrangement options for sensors in a process medium.
  • a process sensor is represented by a cross and a reference sensor by a circled cross.
  • process sensor and reference sensor are arranged directly one behind the other in the process line; in 1 b) both sensors are arranged in a bypass parallel to the process line in which the medium to be analyzed is located; in 1 c) the process sensor is arranged in the process line and the reference sensor in the bypass; in 1 d) the process sensor in turn arranged in the process line and that of the reference sensor in a derivation, in 1 e) process and reference sensor integrated in one unit; and FIG. 1 f) shows an arrangement with a plurality of process and reference sensors in different arrangement ways.
  • two semiconductor sensors HL 1 and HL 2 are accommodated on a common substrate S.
  • a cooling element K Between the hot side of the cooling element K and the substrate S there is a
  • FIG. 2 b shows two separate sensor arrangements on a common heat sink K.
  • FIG. 2 c explains an embodiment with separate sensors, each of which has two semiconductor sensors HL 1 and HL 2 and an additional element W and a cooling element K.
  • the assembly is arranged on a common heat-dissipating base body G.
  • An advantageous embodiment provides for two or more sensors, which are based on different functions, to be arranged, in particular to be integrated in a common subtype. For example, sensors with different condensation and / or evaporation behavior can be arranged.

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Abstract

The aim of the invention is to provide a method and a system that allow, in situ and in real time, to make a statement on the actual value of process parameters and on the accuracy of the measurement. For this purpose, the operating parameters of a sensor are adjusted to its gentle values and are brought for a selected measuring time to the values suitable for an optimum measurement. The invention relates to a method and a system for determining the parameters of a process medium, especially for determining the concentration of one or more gases using at least one gas-sensitive sensor.

Description

Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Parameter eines Prozessmediums Method and arrangement for determining the parameters of a process medium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von Parametern eines Prozessmediums, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Gase, unter Verwendung mindestens eines gasempfindlichen Sensors.The invention relates to a method and an arrangement for determining parameters of a process medium, in particular for determining the concentration of one or more gases, using at least one gas-sensitive sensor.
Unter Prozessmedium werden verschiedene Gase und/oder Flüssigkeiten verstanden.Process gases are understood to mean different gases and / or liquids.
Bei der Ermittlung der Parameter von Prozessmedien, insbesondere bei der Messung der Gaskonzentration bestehen in Abhängigkeit von denWhen determining the parameters of process media, especially when measuring the gas concentration, depending on the
Umgebungsbedingungen eine Reihe von Fehlermöglichkeiten, die die Kurz- und Langzeitmessgenauigkeit beeinflussen. Solche Einflussgrößen sind beispielsweise Messungen unter extremen Temperaturen, Messungen hoher oder auch sehr geringer Gaskonzentrationen, das Auftreten von Kondensation bzw. Betauung sowie Verschmutzungen.Ambient conditions a number of error possibilities that affect the short and long-term measurement accuracy. Such influencing variables are, for example, measurements under extreme temperatures, measurements of high or very low gas concentrations, the occurrence of condensation or condensation as well as contamination.
Beispielsweise ist bei der Bestimmung von Gasparametern durch Ermittlung von Feuchtegrößen, die auf der Messung des Taupunktes beruht, zwar eine hohe Genauigkeit gegenüber Messverfahren, welche die relative Feuchte auswerten, erreichbar. Diese Verfahren weisen jedoch signifikante Nachteile durch Nerschmutzung auf.For example, when determining gas parameters by determining moisture variables, which is based on the measurement of the dew point, a high degree of accuracy can be achieved compared to measurement methods which evaluate the relative humidity. However, these methods have significant disadvantages due to pollution.
Zur Verringerung der Nerschmutzung ist es bekannt, zusätzliche Maßnahmen zur Verbesserung der Messsicherheit durchzuführen, insbesondere das Aufheizen der Sensoreinrichtung, um eine Nerdunstung oder eine Lokalisierung der Nerunreinigungen zu erzeugen.To reduce pollution, it is known to carry out additional measures to improve measurement reliability, in particular that Heating up the sensor device in order to produce a nerd haze or a localization of the ner impurities.
In US 43 21 577 und US 55 11 418 sind Verfahren angegeben, bei denen zur Beseitigung von Kontaminationen oder der Betauung der Sensor wiederholt zu heizen ist.In US 43 21 577 and US 55 11 418, methods are specified in which the sensor has to be repeatedly heated in order to remove contamination or condensation.
Weiter ist es nach US 46 26 774 bekannt, ein Maß für die Verunreinigung zu ermitteln, indem aus der Messung des Phasenwinkels bei einem kapazitätsbasierten Taupunkthygrometer eine Aussage abgeleitet wird.According to US Pat. No. 4,626,774, it is known to determine a measure of the contamination by making a statement from the measurement of the phase angle in a capacitance-based dew point hygrometer.
Nachteilig ist hierbei, dass lediglich eine Kompensation des Ausgangssignals erfolgt oder eine erforderliche Reinigung des Sensors signalisiert wird.The disadvantage here is that only a compensation of the output signal takes place or a necessary cleaning of the sensor is signaled.
Ferner ist in WO 92/18855 eine Anordnung beschrieben, bei der mittels eines CO2-Gasstromes die Verunreinigungen bei der Nerdunstung beseitigt werden soll. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass für die C02-Steuerung kostenintensive Zusatzausrüstungen erforderlich sind.Furthermore, an arrangement is described in WO 92/18855 in which the impurities in the nerd evaporation are to be removed by means of a CO 2 gas stream. The disadvantage here, however, is that costly additional equipment is required for the C0 2 control.
Nach US 48 01 211 ist es bekannt, eine Sensoranordnung mit Spiegel periodisch aufzuheizen, um mit der Nerdunstung Nerunreinigungen vom Spiegel zu entfernen.According to US 48 01 211, it is known to periodically heat a sensor arrangement with a mirror in order to remove ner impurities from the mirror with the nerd haze.
Die DE 698 02 449 T2 beschreibt ein Verfahren zum Messen der Konzentration zumindest einer Gaskomponente in einem Messgas mittels eines dem Messgas ausgesetzten Widerstandssensors, wobei die Konzentration aus dem aus der Widerstandsmessung abgeleiteten Partialdruck der Gaskomponente ermittelt wird.DE 698 02 449 T2 describes a method for measuring the concentration of at least one gas component in a measurement gas by means of a resistance sensor exposed to the measurement gas, the concentration being determined from the partial pressure of the gas component derived from the resistance measurement.
Die Maßnahmen zur Bekämpfung von Verunreinigungen durch Erhitzen der Sensoranordnung sind durch deren Eigenschaften beschränkt. Insbesondere ergeben sich Einschränkungen durch die Eigenschaften der Kontakt- und Leiterbahnsysteme, unterschiedliche Wäimeausdehnungskoeffizienten, Besonderheiten von Zusatzbauelementen wie beispielsweise Peltierelementen bei Kondensationssensoren, Temperaturverträgliclikeit der sensitiven Schichten u.a. Insbesondere ist das Aufheizen des Sensorelementes durch ein unterhalb des Sensors befindliches thermo elektrisches Element durch die Grenzparameter des Peltierelementes begrenzt. Ferner ist es möglich, dass lokale Überhitzungen zu Beeinträchtigung und Degradation von Materialien, insbesondere von Kontakten, führen und damit die Langzeitzuverlässigkeit wesentlich reduzieren.The measures to combat contamination by heating the sensor arrangement are limited by its properties. In particular, there are restrictions due to the properties of the contact and conductor track systems, different coefficients of thermal expansion, special features of additional components such as Peltier elements in the case of condensation sensors, temperature compatibility of the sensitive layers, and the like thermoelectric element located below the sensor is limited by the limit parameters of the Peltier element. It is also possible that local overheating leads to impairment and degradation of materials, in particular contacts, and thus significantly reduce long-term reliability.
Das Aufheizen der Oberfläche zwecks Verdunsten von Verunreinigungen erfolgt üblicherweise durch ein Peltierelement oder durch integrierte Heizer. Hierbei bestehen Schwierigkeiten für das Verdunste von Materialien, die einen höheren Siedepunkt als Wasser besitzen. Während man bei Lösungsmitteln mit niedrigen Siedepunkten davon ausgehen kann, dass bei den üblichenThe surface is usually heated to evaporate contaminants using a Peltier element or an integrated heater. There are difficulties in the evaporation of materials that have a higher boiling point than water. While one can assume with solvents with low boiling points that with the usual
Betriebsmodi eine Nerdunstung mit dem Wasser stattfindet, ist dies für Nerunreinigungen mit einem höheren Siedepunkt nicht der Fall. Eine ganze Reihen von technischen Prozessen verwenden aber Lösungsmittel, die Bestandteile mit einem hohen Siedepunkt aufweisen und die folglicli dabei nicht verdunsten. Diese Nerunreinigungen bleiben bestehen und wirken, sich in der Regel deutlich auf die Langzeitgenauigkeit aus.Modes of operation when nerfing takes place with the water, this is not the case for ner impurities with a higher boiling point. However, a whole series of technical processes use solvents which have components with a high boiling point and which do not evaporate as a result. These ner impurities persist and usually have a significant impact on long-term accuracy.
Auch relative Feuchtesensoren weisen in der Regel bei hohen Temperaturen eine größere Drift und/oder Hysterese auf. Liegt die relative Feuchte deutlich unter 10%, besteht die Gefahr der Austrocknung der sensitiven Schicht.Relative humidity sensors also generally have a greater drift and / or hysteresis at high temperatures. If the relative humidity is well below 10%, there is a risk of the sensitive layer drying out.
Bekannte Maßnahmen zum Verhindern dieser Erscheinungen erfordern einen hohen Aufwand.Known measures to prevent these phenomena require a lot of effort.
Ein genereller Nachteil der bekannten Lösungen besteht darin, dass keine zeitechte Aussage über den Verschmutzungsgrad und dessen Einfluss auf die Genauigkeit getroffen werden kann.A general disadvantage of the known solutions is that no real-time information about the degree of contamination and its influence on the accuracy can be made.
In der Regel sind Unterbrechungen des Messzyklus für Funktionskontrollen, Kalibrierungen, Austausch u.a. erforderlich. Damit steht der Sensor für die Prozesssteuerung zu diesem Zeitpunkt nicht zur Verfügung.As a rule, there are interruptions in the measuring cycle for functional checks, calibrations, replacement, etc. required. The sensor for process control is therefore not available at this time.
Mit einem in EP 0 829 008 Bl beschriebenen Verfahren wird versucht, die der Prozessluft ausgesetzten Feuchtesensoren ohne deren Deinstallation zu kalibrieren. Dies erfolgt mit einer sehr aufwendigen Bypass-Lösung, bei der in einem von der Prozessluft getrennten Kreislauf die Feuchtesensoren mit einem Tauspiegelhygrometer kalibriert werden. Die Kalibrierung erfolgt also nicht direkt in der Prozessluft.A method described in EP 0 829 008 B1 attempts to close the moisture sensors exposed to the process air without removing them calibrate. This is done with a very complex bypass solution, in which the humidity sensors are calibrated in a circuit that is separate from the process air using a thawing mirror hygrometer. The calibration is therefore not carried out directly in the process air.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nerfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die es In-situ und zeitecht ermöglicht, sowohl eine Aussage über den aktuellen Wert von Parametern eines Prozessmediums, als auch über die Genauigkeit der Messung zu treffen.The invention has for its object to provide a ner driving and an arrangement of the type mentioned that enables in-situ and timely, both to make a statement about the current value of parameters of a process medium, as well as the accuracy of the measurement.
Die Aufgabe wird erfindungsgemaß mit einem Nerfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und mit einer Vorrichtung, welche die im Anspruch 14 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.The object is achieved according to the invention with a ner driving, which has the features specified in claim 1, and with a device, which has the features specified in claim 14.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements are specified in the associated subclaims.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, eine Aussage zur Genauigkeit der aktuellen Prozessmessung zu treffen, ohne den Messprozess zu unterbrechen. Darüber hinaus kann zeitecht eine Kalibrierung und Justierung vorgenommen werden.With the method according to the invention and the arrangement according to the invention, it is possible to make a statement about the accuracy of the current process measurement without interrupting the measurement process. In addition, calibration and adjustment can be carried out in real time.
Dazu wird mindestens ein Sensor zwar direkt und ständig dem Prozessmedium ausgesetzt, jedoch abseits des für eine genaue Messung optimalen Arbeitspunktes betrieben. Lediglich für die Dauer einer Messung, beziehungsweise für die Dauer einer Referenzmessung, die mit weiterenFor this purpose, at least one sensor is directly and continuously exposed to the process medium, but is operated away from the optimum working point for an accurate measurement. Only for the duration of a measurement, or for the duration of a reference measurement, with others
Sensoren erfolgt, werden die Betriebseinstellungen für den Sensor auf den optimalen Arbeitspunkt gebracht. Anschließend werden die Betriebseinstellungen wieder auf für den Sensor schonende Werte gebracht. Für die Bestimmung von Parametern eines Prozessmediums kann in diesem Medium ein einzelner Prozesssensor angeordnet sein, dessen Betriebseinstellungen nur während ausgewählter Zeiten in den optimalen Arbeitsbereich gebracht werden. Es können auch mehrere Sensoren angeordnet sein, die auf diese Weise betrieben werden.Sensors, the operating settings for the sensor are brought to the optimum working point. The operating settings are then brought back to values that are gentle on the sensor. For the determination of parameters of a process medium, a single process sensor can be arranged in this medium, the operating settings of which are brought into the optimal working range only during selected times. A plurality of sensors can also be arranged which are operated in this way.
Bei Verwendung mehrerer Sensoren in einem Messsystem können einzelne Sensoren entweder als Prozesssensoren, die sich hinsichtlich der Betriebseinstellungen ständig im optimalen Arbeitsbereich befinden, oder als Referenzsensoren, deren Betriebseinstellungen nur zu Überwachungs-, Kontroll-, Kalibrier- und/oder Kompensationszwecken in den optimalenIf several sensors are used in one measuring system, individual sensors can either be used as process sensors, which are always in the optimal working range with regard to the operating settings, or as reference sensors, the operating settings of which are only used for monitoring, control, calibration and / or compensation purposes in the optimum
Arbeitsbereich gebracht werden, angeordnet sein.Work area are brought to be arranged.
Für den Fall einer Taupunktmessung werden vorteilhaft Referenzsensoren verwendet, deren Temperatur für die exakte Messung auf einen Wert eingestellt wird, der zwischen der Temperatur der Prozessluft und der Taupunkttemperatur liegt. Für die Einstellung wird eine Temperatur vorgegeben, die mit einem gesonderten Erkennungssystemen überwacht wird. Es ist auch möglich, den Sollzustand am Sensor durch die Überwachung einer kondensatrelevanten Signalgröße, wie beispielsweise Wassermasse, Reflexionsgrad, Leitfähigkeit oder Kapazität, einzustellen. Die Einstellung der Temperatur auf einen vorgegebenen Wert erfolgt mit Hilfe vonIn the case of a dew point measurement, reference sensors are advantageously used, the temperature of which for the exact measurement is set to a value which lies between the temperature of the process air and the dew point temperature. A temperature is specified for the setting, which is monitored with a separate detection system. It is also possible to set the target state on the sensor by monitoring a signal quantity relevant to the condensate, such as water mass, reflectance, conductivity or capacitance. The temperature is set to a specified value using
Kühlelementen, die durch eine Regelelektronik gesteuert werden.Cooling elements that are controlled by control electronics.
Dabei ist es zweckmäßig, die Temperatur der Referenzsensoren auf einen Wert zu halten, der oberhalb der Prozesslufttemperatur liegt. Damit kann eine relevante Kondensation von Verunreinigungen vermieden werden, die bei derIt is useful to keep the temperature of the reference sensors at a value that is above the process air temperature. A relevant condensation of impurities can thus be avoided
Temperatur der Prozessluft auftreten würde. Die Genauigkeit der Messung kann dadurch erheblich gesteigert werden.Process air temperature would occur. The accuracy of the measurement can be increased considerably.
Die Betriebsbedingungen des Sensors können zu vorgegebenen Zeitpunkten oder zu beliebigen Zeitpunkten auf die für eine optimale Messung geeigneten Werte gebracht werden. Es ist auch möglich, dass vom Sensor ein Signal ausgelöst wird, wenn ein Wert ennittelt wird, der außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt, und dann der optimale Arbeitspunkt für eine genaue Messung eingestellt wird.The operating conditions of the sensor can be brought to the values suitable for an optimal measurement at predetermined times or at any time. It is also possible for the sensor to trigger a signal if a value is averaged that is outside of a predetermined tolerance range, and then the optimal working point for an accurate measurement is set.
Die Messungen können vorzugsweise dann durchgeführt werden, wenn die Sensoren die Temperatur des umgebenden Mediums angenommen haben. Für bestimmte Anwendungsfälle kann es auch vorteilhaft sein, die Messungen dann durchzuführen, wenn die Sensoren eine Temperatur erreicht haben, die zwischen der Temperatur des Mediums und der Taupunkttemperatur oder die oberhalb der Temperatur der Sensoren liegt. Die Einstellung der Temperatur erfolgt mit einem Kühlsystem, welches mit dem Sensor, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines definierten Wärmewiderstandes, verbunden ist und von einer Regelelektronik angesteuert wird. Zur Überwachung der Sensortemperatur können diese mit einer Temperaturmessanordnung, vorzugsweise mit einem elektrischen Messwiderstand, versehen sein. Die Einstellung der Temperatur kann auch durch eine kondensatrelevante Größe, beispielsweise Wassermasse, Reflektionsgrad, Leitfähigkeit oder Kapazität überwacht werden.The measurements can preferably be carried out when the sensors have assumed the temperature of the surrounding medium. For certain applications, it can also be advantageous to carry out the measurements when the sensors have reached a temperature which is between the temperature of the medium and the dew point temperature or which is above the temperature of the sensors. The temperature is set using a cooling system which is connected to the sensor, possibly with the interposition of a defined thermal resistance, and is controlled by control electronics. To monitor the sensor temperature, these can be provided with a temperature measuring arrangement, preferably with an electrical measuring resistor. The setting of the temperature can also be monitored by a quantity relevant to the condensate, for example water mass, degree of reflection, conductivity or capacitance.
Es ist dabei auch möglich, ermittelte Differenzen in der Genauigkeit von Sensoren zur Fehlerkompensation von fehlerbehafteten Sensoren zu verwenden.It is also possible to use determined differences in the accuracy of sensors for the error compensation of faulty sensors.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Dazu zeigenShow this
Figur 1 Möglichkeiten zur Anordnung des Sensors in einer Messanordnung für strömende Medien und Figur 2 Anordnungsmöglichkeiten für Kühleinrichtungen an Sensoren.FIG. 1 shows possibilities for arranging the sensor in a measuring arrangement for flowing media, and FIG. 2 shows arrangement possibilities for cooling devices Sensors.
In Figur 1 sind unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten für Sensoren in einem Prozessmedium dargestellt. Dabei ist jeweils ein Prozesssensor durch ein Kreuz und ein Referenzsensor durch ein umkreistes Kreuz dargestellt.FIG. 1 shows different arrangement options for sensors in a process medium. A process sensor is represented by a cross and a reference sensor by a circled cross.
Im einzelnen sind in 1 a) Prozesssensor und Referenzsensor direkt in der Prozessleitung hintereinander angeordnet; in 1 b) beide Sensoren in einem Bypass angeordnet, der parallel zur Prozessleitung, in der sich das zu analysierende Medium befindet; in 1 c) der Prozesssensor in der Prozessleitung und der Referenzsensor im Bypass angeordnet; in 1 d) der Prozesssensor wiederum in der Prozessleitung und der der Referenzsensor in einer Ableitung angeordnet, in 1 e) Prozess- und Referenzsensor in einer Einheit integriert; und in 1 f) eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Prozess- und Referenzsensoren in unterschiedlichen Anordnungsweisen dargestellt.1 a) process sensor and reference sensor are arranged directly one behind the other in the process line; in 1 b) both sensors are arranged in a bypass parallel to the process line in which the medium to be analyzed is located; in 1 c) the process sensor is arranged in the process line and the reference sensor in the bypass; in 1 d) the process sensor in turn arranged in the process line and that of the reference sensor in a derivation, in 1 e) process and reference sensor integrated in one unit; and FIG. 1 f) shows an arrangement with a plurality of process and reference sensors in different arrangement ways.
Mögliclikeiten für die Anordnung von Sensoren in einer mikrotechnischenPossibilities for the arrangement of sensors in a microtechnical
Messanordnung erläutert Figur 2.Figure 2 explains the measuring arrangement.
Bei der in 2 a dargestellten Ausführung sind zwei Halbleitersensoren HL 1 und HL 2 auf einem gemeinsamen Substrat S untergebracht. Unterhalb des Substrates S befindet sich ein Kühlelement K. Zwischen der Warmseite des Kühlelementes K und dem Substrat S ist im dargestellten Fall einIn the embodiment shown in FIG. 2 a, two semiconductor sensors HL 1 and HL 2 are accommodated on a common substrate S. Below the substrate S there is a cooling element K. Between the hot side of the cooling element K and the substrate S there is a
Zusatzelement W angeordnet, welches einen definierten Wärmewiderstand gewährleistet. Figur 2 b zeigt zwei separate Sensoranordnungen auf einem gemeinsamen Kühlkörper K.Additional element W arranged, which ensures a defined thermal resistance. FIG. 2 b shows two separate sensor arrangements on a common heat sink K.
Figur 2 c erläutert eine Ausführung mit separaten Sensoren, die jeweils zwei Halbleitersensoren HL 1 und HL 2 und ein Zusatzelement W sowie ein Kühlelement K aufweisen. Die Baugruppe ist auf einem gemeinsamen wärmeableitenden Grundkörper G angeordnet.FIG. 2 c explains an embodiment with separate sensors, each of which has two semiconductor sensors HL 1 and HL 2 and an additional element W and a cooling element K. The assembly is arranged on a common heat-dissipating base body G.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, zwei oder mehrere Sensoren, die auf unterschiedlichen Funktionsweisen beruhen, anzuordnen, insbesondere in einem gemeinsamen Substart zu integrieren. Beispielsweise können Sensoren mit unterschiedlichem Kondensations- und/oder Verdunstungsverhalten angeordnet werden. An advantageous embodiment provides for two or more sensors, which are based on different functions, to be arranged, in particular to be integrated in a common subtype. For example, sensors with different condensation and / or evaporation behavior can be arranged.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Bestimmung von Parametern eines Prozessmediums, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration eines oder mehrerer Gase, unter Verwendung mindestens eines Sensors, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter des Sensors auf diesen schonende Werte eingestellt sind und nur für ausgewählte Messzeiten auf für eine genaue Messung optimierte1. Method for determining parameters of a process medium, in particular for determining the concentration of one or more gases, using at least one sensor, characterized in that the operating parameters of the sensor are set to gentle values and only for selected measuring times for an accurate measurement optimized
Werte gebracht werden.Values are brought.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebseinstellungen des Sensors auf die für eine optimierte Messung geeigneten Werte gebracht werden, wenn eine vorgegebene Zeit abgelaufen ist oder Parameterabweichungen festgestellt werden, die einen festgelegten Grenzwert überschreiten.2. The method according to claim 1, characterized in that the operating settings of the sensor are brought to the values suitable for an optimized measurement when a predetermined time has expired or parameter deviations are ascertained which exceed a defined limit value.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Prozesssensor und/oder einem Referenzsensors während der ausgewählten3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the process sensor and / or a reference sensor during the selected
Messzeiten gewonnene Signale zur Kalibrierung weiterer Sensoren verwendet werden.Signals obtained from measurement times can be used to calibrate further sensors.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensoren in einem Prozessmedium verwendet werden, wobei mindestens ein Sensor als Prozesssensor arbeitet, der sich überwiegend im Arbeitsbereich für optimale Messbedingungen befindet und mindestens ein weiterer Sensor als Referenzsensor betrieben wird, der nur zeitweilig zu Überwachungs-, Kontroll-, Kalibrier- und/oder Kompensationszwecken in den Arbeitsbereich für optimale Messbedingungen gebracht wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that several sensors are used in a process medium, at least one sensor working as a process sensor, which is predominantly in the working range for optimal measuring conditions and at least one further sensor is operated as a reference sensor, who only temporarily Monitoring, control, calibration and / or compensation purposes is brought into the work area for optimal measurement conditions.
5. Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messwerten, die unter den Bedingungen für die optimierte Messung gewonnen wurden, Aussagen zur Genauigkeit der weiteren Sensoren und/oder zu Parameterabweichungen abgeleitet werden.5. Ner driving according to one of the preceding claims, characterized in that statements about the accuracy of the further sensors and / or about parameter deviations are derived from the measured values obtained under the conditions for the optimized measurement.
6. Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Signalisierung erfolgt, wenn die Differenz der6. Nerfahren according to any one of the preceding claims, characterized in that a signaling takes place when the difference of
Messwerte zwischen dem Sensor und/oder weiteren Sensoren einen vorgegebenen Wert überschreitet und/oder die Differenz zur Fehlerkompensation der weiteren Sensoren verwendet wird.Measured values between the sensor and / or further sensors exceed a predetermined value and / or the difference is used for error compensation of the further sensors.
7. Nerfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Parameter durch eine Taupunktmessung erfolgt.7. Ner driving according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the parameters is carried out by a dew point measurement.
8. Nerfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mindestens die Temperatur des umgebenden Prozessmediums als schonenden8. Ner driving according to claim 7, characterized in that the sensor at least the temperature of the surrounding process medium as gentle
Betriebszustand angenommen hat.Has assumed operating state.
9. Nerfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Taupunktsensor eine Temperatur, die zwischen der Temperatur des umgebenden Prozessmediums und der Taupunkttemperatur liegt, als schonenden Betriebszustand angenommen hat. 9. Ner driving according to claim 8, characterized in that the dew point sensor has assumed a temperature that lies between the temperature of the surrounding process medium and the dew point temperature as a gentle operating state.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen erfolgen, wenn der Sensor eine Temperatur, die höher als die Temperatur des Prozessmediums ist, angenommen hat.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the measurements are carried out when the sensor has assumed a temperature which is higher than the temperature of the process medium.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sensors dadurch eingestellt wird, dass der Sensor mit einem Kühlelement gekoppelt wird, welches von einer Regelelektronik angesteuert wird.11. The method according to claim 9, characterized in that the temperature of the sensor is set in that the sensor is coupled to a cooling element which is controlled by control electronics.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor durch die Einstellung der Temperatur auf den optimierten Bereich gebracht wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor is brought to the optimized range by adjusting the temperature.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Signale für die Einstellung der Temperatur des Sensors durch Auswertung einer kondensatrelevante Signalgröße, wie Wassermasse, Reflexionsgrad, Leitfähigkeit, Kapazität und ähnlichen, abgeleitet werden.13. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that signals for setting the temperature of the sensor by evaluating a condensate-relevant signal size, such as water mass, reflectance, conductivity, capacitance and the like, are derived.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensationen auf der Oberfläche der Prozess- und/oder Referenzsensoren durch Hydrophobierungen der Oberfläche verzögert oder unterdrückt werden.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the condensation on the surface of the process and / or reference sensors are delayed or suppressed by hydrophobizing the surface.
15. Anordnung zur Bestimmung von Parametern in einem Prozessmedium, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration von Gasen, mit mindestens einem Prozesssensor, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mindestens einen Prozesssensor und einen Referenzsensor sowie eine Einrichtung zur Veränderung der Betriebsparameter des Referenzsensors enthält.15. Arrangement for determining parameters in a process medium, in particular for determining the concentration of gases, with at least one process sensor, preferably for carrying out the method according to one of claims 1 to 14, characterized in that the arrangement contains at least one process sensor and a reference sensor and a device for changing the operating parameters of the reference sensor.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkungsweise von Prozesssensor und Referenzsensor auf dem gleichen Funktionsprinzip beruhen.16. The arrangement according to claim 15, characterized in that the mode of operation of the process sensor and the reference sensor are based on the same functional principle.
17. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die17. The arrangement according to claim 15, characterized in that the
Wirkungsweise von Prozesssensor und Referenzsensor und gegebenenfalls weiterer Sensoren auf unterschiedlichen Funktionsprinzipen beruhen.Mode of operation of the process sensor and reference sensor and possibly other sensors are based on different functional principles.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozesssensor und der Referenzsensor18. Arrangement according to one of claims 15 to 17, characterized in that the process sensor and the reference sensor
Taupunktsensoren sind oder der Referenzsensor allein ein Taupunktsensor ist.Are dew point sensors or the reference sensor alone is a dew point sensor.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren auf oder in einem Substrat angeordnet sind.19. Arrangement according to one of claims 14 to 17, characterized in that the sensors are arranged on or in a substrate.
20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in einem Substrat integriert sind und unterschiedliches Kondensations- und/oder Verdunstungsverhalten aufweisen.20. The arrangement according to claim 19, characterized in that the sensors are integrated in a substrate and have different condensation and / or evaporation behavior.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren auf je einem oder auf einem gemeinsamen Kühlelement montiert sind. 21. Arrangement according to one of claims 18 to 20, characterized in that the sensors are mounted on one or on a common cooling element.
22. Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Sensoren und den Kaltseiten der Kühlelemente Wämiewiderstände angeordnet sind.22. Arrangement according to one of claims 18 to 21, characterized in that thermal resistances are arranged between the sensors and the cold sides of the cooling elements.
23. Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren und gegebenenfalls die ICühlelemente auf einem gemeinsamen wärmeableitenden Material angeordnet sind.23. Arrangement according to one of claims 18 to 22, characterized in that the sensors and optionally the IC cooling elements are arranged on a common heat-dissipating material.
24. Anordnung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Temperatur des Sensors eine24. Arrangement according to one of claims 21 to 23, characterized in that for adjusting the temperature of the sensor
Regelelektronik zur Ansteuerung der Kühlelemente angeordnet ist.Control electronics for controlling the cooling elements is arranged.
25. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung oder Vermeidung von Kondensationen auf der Oberfläche des Sensors Hydrophobierungen angebracht sind. 25. Arrangement according to one of claims 15 to 24, characterized in that to reduce or avoid condensation on the surface of the sensor hydrophobization are attached.
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