FI100739B - Menetelmä suhteellisen kosteuden mittaamiseksi, etenkin radiosondeissa sekä menetelmää soveltava kosteusanturi - Google Patents

Description

100739

Menetelmä suhteellisen kosteuden mittaamiseksi, etenkin radiosondeissa sekä menetelmää soveltava kosteusanturi Förfarande för mätning av den relativa fuktigheten, speciellt i radiosonder samt fuktighetsgivare for tillämpning av förfarandet 5

Keksinnön kohteena on menetelmä suhteellisen kosteuden mittaamiseksi kapasitiivista 10 anturiyhdelmää hyväksikäyttäen, etenkin radiosondeissa, jossa anturissa käytetään kondensaattorilevyjen välissä ainetta, jonka permittiviteetti on kyseisen aineen absorboiman vesimäärän funktio ja jossa menetelmässä mainittua anturi-yhdelmää lämmitetään anturin pinnalle ja/tai ympäristöön kertyneen jään, huurteen ja/tai tiivistyneen kosteuden haitallisten vaikutusten vähentämiseksi, ja jossa menetelmässä anturika-15 pasitanssia tai sen osaa lämmitetään ajallisesti ja/tai paikallisesti jaksottaisesti sähkövirralla ja anturikapasitanssin havaitseminen suoritetaan ilman anturin lämpötilan mittausta anturikapasitanssin tai sen osan jäähdyttyä olennaisesti ympäristön lämpötilaan.

Keksinnön kohteena on myös kapasitiivinen kosteusanturi, etenkin keksinnön menetel- 20 män toteuttamiseen tarkoitettu kosteusanturi, joka käsittää eristeainetta olevan substraa- ··.' tin, jolle on tehty anturikapasitanssin muodostamista ja kytkemistä varten tarpeelliset ' · ‘: kontaktikuviot ja jossa on anturikapasitanssielektrodien välillä aktiivinen eristekalvo, • · · ‘•y jonka permittiviteetti on kyseisen kalvon absorboiman vesimäärän funktio ja jonka • · « • · * *··.· kalvon päälle on tehty pintakontakti, joka on ohut, vettä läpäisevä ja sähköäjohtava • · · • · · *”.* 25 pintaelektrodi, johon on kytketty kontaktikuvio.

• · · • · · ... Ennestään tunnetaan useita erilaisia sähköisesti ilmaistuja lämpötila- ja kosteusantu- • · ♦ * .···. reita, joiden impedanssi muuttuu mitattavan suureen funktiona. Tällaisia kosteusantureita • ♦ ♦ tunnetaan esim. USA-patenteista n:ot 3168829ja 3350941 sekä hakijan suomalaisesta 30 patentista n:o 48229.

« · · 2 100739

Ennestään tunnetusti käytetään lämpötilan mittaamiseen kapasitiivisia antureita, jotka perustuvat yleensä siihen, että kondensaattorilevyjen välisen eristeaineen permittiivisyys on lämpötilasta riippuva, jolloin myös anturin navoista havaittu kapasitanssi riippuu lämpötilasta.

5

Esillä olevan keksinnön tekniikan tasoon osaltaan liittyy Fl-patentti n:o 48229, jossa on esitetty kapasitiivinen kosteusanturi, jossa dielektrisena eristeaineena on polymeerikalvo, jonka permittiivisyysvakio on polymerikalvon absorboiman vesimäärän funktio.

10 Edellä esitetyissä ja muissakin impedanssin muutokseen perustuvissa antureissa esiintyy ei-toivottuja ilmiöitä, joita ovat mm. antureiden jäätyminen ja kastuminen, säteilyvirhe, antureiden hitaus ja hystereesis.

Hakijan FI-patenttihakemuksessa 58402 on esitetty menetelmä sähköisen, impedanssin 15 muutokseen perustuvan, kosteusanturin palautuvien muutosten aiheuttamien ei-haluttujen ominaisuuksien pienentämiseksi, etenkin kapasitiivisessa kosteusanturissa, jonka kosteudelle herkkänä materiaalina on orgaaninen polymeeri, jota lämmitetään, ainakin suuremmilla suhteellisilla kosteuksilla, kosteusanturin ympäristön lämpötilaa suurempaan lämpötilaan. Anturin lämmitystehoa voidaan tarvittaessa säätää mitattavan ;' . 20 kosteuden funktiona. Mainitussa FI-patentissa mitataan kosteusanturin lämpötila ja/tai • · * ! .' ulkolämpötila ja tätä tai näitä apusuureita käytetään hyväksi kosteusmittausarvojen • · · ’ \ laskemisessa. Ko. FI-patentissa on mainittu, että anturin lämmitys voidaan kytkeä pois • · · ; mittauksen ajaksi, mutta ei ole tarkemmin esitetty millä tavoin ja missä tarkoituksessa • ♦ · tämä poiskytkeminen tapahtuu. Joka tapauksessa em. FI-patentissa 58402 edellytetään • · · 25 aina anturin lämpötilan mittausta, jonka mittauksen perusteella mittaustulosta korjataan . sen vuoksi, että anturi "näyttää" korotetun lämpötilansa vuoksi suhteellisen kosteuden • · · liian pientä lukemaa.

4 4 .···. Tekniikan tason osalta lisäksi viitataan hakijan FI-patenttiin 58 403 (vastaava GB- 30 patentti 2 047 431), jossa on esitetty säätölaite kosteusanturissa, joka käsittää siltakyt- • · kennän tai vastaavan, joka sisältää lämpötilasta riippuvaisia vastuselementtejä, joiden 3 100739 avulla havaitaan anturin ulkoinen lämpötila ja itse anturin lämpötila Ts ja jonka siltakytkennän erojännitettä käytetään takaisinkytkentäsignaalina, jolla säädetään anturia lämmittävää sähkötehoa. Anturin lämmitysvastuksena käytetään sellaista positiivisen lämpötilakertoimen omaavaa vastuselementtiä, esim. platinavastusta, joka 5 samalla toimii anturin lämpötilan Ts sensorina. Ulkoisen lämpötilan Ta sensorina käytetään viimemainitun vastuselementin sijoitukseen nähden siltakytkennän toiseen haaraan vastakkain sijoitettua sellaista vastus-termistori-sovitelmaa, että tietty, kullekin anturityypille ominainen funktio Ts = f(Ta) toteutuu säätölaitteen avulla.

10 Esillä olevaan keksintöön liittyvän tekniikan tason osalta lisäksi viitataan hakijan Fl-patenttiin 85 770 (vastaava US-patentti 5 156 045), jossa on esitetty menetelmä radiosondien impedanssiantureiden yhteydessä, jossa menetelmässä mitataan anturin tai antureiden lämpötilaa termoparilla, jonka termoelementtien toisen haaran liitos sijoitetaan mitattavan anturin yhteyteen tai tuntumaan ja jonka termoparin toisen haaran liitos 15 sijoitetaan anturia ympäröivään atmosfääriin ja jossa menetelmässä mainitulla termoparilla havaitaan anturin yhteydessä vallitsevan lämpötilan ja ympäröivän atmosfäärin lämpötilan eroa, jota edustavalla sähkösignaalilla vaikutetaan radiosondin mittauskytkennän lähtösignaaliin, joka sisältää tiedon anturilla tai antureilla mitattavasta meteorologisesta suureesta tai suureista.

20 • t ; Keksintöön liittyvän tekniikan tason osalta viitataan myös Robert Bosch GmbH:n • 1 EP-patenttihakemukseen 89113123.7 (julkaisunumero 0352682 A3). Tässä julkaisus- • · · *.1V sa on esitetty sähkövirralla jaksottaisesti lämmitettävä kosteudenmittausanturi, joka on

* » I

*···, tarkoitettu lähinnä autojen matkustajatiloissa käytettäväksi ja joka anturi perustuu • · · 25 aktiivisen materiaalin resistanssin muutoksiin.

. · . 30 · · * · · • · ·

Esillä olevan keksinnön yleistarkoituksena on kehittää edelleen ennestään tunnettua _ suhteellisen kosteuden mittaustekniikkaa etenkin radiosondisovellutuksissa siten, että • · ·. myöhemmin tarkemmin selostettavat epäkohdat vältetään.

4 100739

Keksinnön eräänä tarkoituksena on aikaansaada uusi mittausmenetelmä ja anturit, etenkin radiosondikäyttöön, jossa kapasitiivinen kosteusanturi joutuu niin suureen kosteuteen, että anturitoiminta huononee ja vettä, huurretta ja/tai jäätä kerääntyy ja kondensoituu anturin aktiiviselle pinnalle tai sen ympäristön rakenteisiin. Kun tällainen 5 häiriötilanne on ohi, kestää kauan ennen kuin vesi tai jää ovat haihtuneet, minkä ajan anturi antaa tietenkin väärän, liian suurta kosteutta ilmoittavan viestin. Edellä mainitussa Fl-patentissa 58402 esitetty kapasitiivisen kosteusanturin lämmityksellä voidaan edellä mainittuja epäkohtia välttää, mutta tyydyttävästi ratkaisemattomana ongelmana jää edelleen se, että riittävän tarkan kosteusmittauksen aikaansaamiseksi kosteusanturin 10 lämpötilakin on tunnettava hyvin tarkkaan. Suhteellisen kosteuden ~ 1-2 %:n mittaustarkkuuden aikaansaamiseksi on anturin lämpötila saatava mitatuksi ~ 0,l°C:n tarkkuudella. Lämpötilan mittauksessa voi olla enemmän absoluuttista virhettä, mutta lämpötilaero ympäristöön nähden on tunnettava mainitulla tarkkuudella. Keksinnön päätarkoituksena onkin aikaansaada sellainen kosteusanturi, jota käyttäen voidaan välttää 15 kosteusanturin pinnalle ja/tai sen ympäristön rakenteisiin veden tiivistymisen ja jäätymisen aiheuttamat epäkohdat, esimerkiksi silloin, kun radiosondi lentää alijäähtyneessä pilvessä.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada sellainen mittausmenetelmä ja anturit, jossa 20 suhteellinen kosteus voidaan mitata ainakin edellä mainitulla tarkkuudella ~ 1-2 %.

; , Lisäksi keksinnön tarkoituksena on aikaansaada sellainen mittausmenetelmä ja anturit, * ♦ * * *. jotka soveltuvat erityisen hyvin kertakäyttöisiin radiosondeihin niin, että keksinnön • · · • · · ‘.‘V menetelmää ja antureita käyttäen anturijäijestely saadaan yksinkertaiseksi, kevytraken- • ♦ * V.* teiseksi ja suurivolyymituotannossa muutenkin taloudelliseksi.

• i · 25 . Keksinnön menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että menetelmässä • · ♦ • ·« käytetään kahta tai useampaa eri anturia tai useamman osa-anturin rinnankytkentää tai vastaavaa, että useampaa eri anturia käytettäessä kutakin anturia lämmitetään vuorotel-.· Ien ja että suhteellinen kosteus pääasiallisesti havaitaan mainitusta lämmityksestä 30 riittävästi jäähtyneen anturin tai sen osa-anturien perusteella.

5 100739

Keksinnön mukaiselle kosteusanturille on pääasiallisesti tunnusomaista, se että anturi käsittää useita osakapasitansseja, jotka on kytketty rinnan mitattavan anturikapasitanssin muodostamiseksi ja että kukin osakapasitanssi on varustettu omalla lämmitysvastuksel-laan, joihin on erikseen johdettavissa lämmitysvirrat kunkin osakapasitanssin lämmittä-5 miseksi erikseen.

Keksinnön mukaista menetelmää ja anturia sovellettaessa voidaan jättää anturin lämpötilan mittausvaihe ja siinä tarvittavat laite- ja laskentajäijestelyt kokonaan pois, minkä ansiosta menetelmän toteutusvaiheet ja anturirakenteet sekä niihin liittyvät muut 10 järjestelmät olennaisesti yksinkertaistuvat ja siitä huolimatta päästään edellä mainittuun sondikäytössä yleensä riittävään mittaustarkkuuteen.

Keksinnössä käytetään lämmitysenergiana nimenomaan sähkövirtaa, sopivimmin tasavirtaa, joka johdetaan keksinnön menetelmän mukaisesti anturin tai anturiyhdelmän 15 yhteydessä olevaan resistiiviseen lämmitysvastukseen tai lämmitysvastusten erilaisiin yhdelmiin.

Keksinnössä sovellettavaa kosteusanturin lämmitystä tarvitaan poistamaan kosteusmit- tauksen kannalta haitallinen huurre, jää ja vesi anturista. Anturikokonaisuus muodostuu 20 kosteutta mittaavasta osasta ja lämmittävästä osasta. Nämä voivat olla erillisiä '; , rakenteita tai kosteusmittauksen jotain rakennetta voidaan käyttää myös lämmitykseen.

» * · * l Lämmitysteho voi olla tarvittaessa myös säädetty eri tavoin.

• · ♦ • ♦ ♦ • · · · « · • · · • · · ’II.* Keksinnön mukaisen kosteusanturin lämmityksen toteutuksessa voi olla mittaus ja • · · 25 säätöelektroniikkaa lisänä tavalliseen sondisovellukseen. Tarvittaessa lämmitystarve . havaitaan ja lämmittävä elementti voi itse toimia lämmitystarpeen anturina siten, että .· · · ··· jää ja/tai kondensoitunut vesi aiheuttavat elementin lämpiämisnopeuden muutoksen ja elektroniikkaa käyttäen mitataan elementin vastuskappaleen ominaisvastuksen nousun I. I # hidastuminen. Elektroniikka antaa lämmityksen jatkua tai katkaisee sen tarpeen mukaan.

30 Lämmitysjakso voidaan tehdä kerran sondin yhden mittauskierroksen aikana tai ;·.* muutenkin. Lämmitysteho voidaan säätää tarvittaessa. Tehon suuruutta voidaan 6 100739 tarvittaessa mitata esimerkiksi lämmityksen kanssa samanaikaisesti lämpiävän vastuksen avulla. Tätä tietoa voidaan myös käyttää jäätymistehokkuuden tai ylikyllästyksen mittarina.

5 Keksinnön edullisen sovellusmuodon mukaiselle kosteusanturille on ominaista sen pieni koko ja rakenne siten, että lyhytaikainen lämpöpulssi leviää vain pintaelektrodille ja sen läheisyyteen. Tällöin anturin terminen- ja kosteusaikavakio ovat erittäin lyhyitä ja mahdollistavat anturin käytön kosteusmittaukseen suoraan ilman lämmityksestä aiheutuvien virheiden korjailua sondikäytössä, jossa kosteuden mittaus tapahtuu 10 ennestään tunnetusti kerran n. 1,5 s:ssa. Lämmitys poistaa kosteusanturin pinnalta ja/tai sen ympäristöstä mittausta haittaavan jään ja veden. Anturin pieni koko tekee tarpeettomaksi käyttää säteily suojausta. Anturin valmistuskustannukset voidaan saada myös pienemmiksi kuin ennestään tunnetuilla antureilla.

15 Keksinnössä voidaan käyttää kahta fyysisesti erillistä anturia tai integroitua termisesti toisistaan eristettyä anturiparia niin, että toista anturia lämmitetään sillä aikaa kun toisella mitataan suhteellista kosteutta ja päinvastoin vuorotellen. Lämmittämällä poistetaan anturista kosteusmittauksen kannalta haitallinen jää ja vesi. Vuorotusperiaat- teella vältetään lämmenneen, mutta ei vielä riittävästi jäähtyneen anturin käyttö ; " 20 kosteusmittauksissa sekä eliminoidaan hankalat anturin lämpötilan mittaukset ja ; , kompensaatiolaskennan vaikeudet. Lisäksi tarjoutuu mahdollisuus monenlaiseen • « · * * lämmityksen ajoitukseen ja tehonsäätöön. Anturin ei tarvitse olla niin äärimmäisen • · · ’.‘V nopea kuin yhden anturin pulssilämmitystä sovellettaessa, joskin myös tämän käyttö • · · ’·.·* on mahdollista. Parhaiten tähän käyttöön soveltuva anturi on pohjaelektrodilla lämmi- • · · 25 tetty anturi, jossa etuna on lämmitysvastuksen teko integroidusti kosteusanturin valmis-. tuksen yhteydessä. Tällöin terminen ja kosteusaikavakio saadaan riittävän lyhyiksi, M· lämmön siirtyminen hyväksi ja lämmitystehon kohdistuminen oikeaksi. Pieni kokoja integrointi tuo valmistuksessa kustannussäästöjä. Elektroniikkaan tarvitaan muutoksia ··. ennestään tunnettuun sondielektroniikkaan nähden, koska anturit kytketään vuoron 30 perään lämmitykselle tai kosteusmittaukselle. Lämmitystä voidaan tarvittaessa myös I · I ♦ « · säätää eri tavoin. Myös sellainen elektroniikka, joka mittaa molempia kosteusantureita 7 100739 koko ajan, on mahdollinen. Tällöin vain lämmitystä vuorotellaan, ja oikea kosteus erotetaan datankäsittelyllä perustuen siihen että lämmin anturi näyttää alhaisempaa lukemaa. On mahdollista käyttää myös yhtä anturia siten, että sitä lämmitetään välillä, ja hylätään virheellinen data ja interpoloitu "oikea" data sijoitetaan hylätyn 5 tilalle.

Keksinnön mukainen kosteusanturi toteutetaan niin, että useita kosteutta mittaavia osa-antureita kytketään rinnan. Suhteellisen kosteuden mittaus tapahtuu rinnan kytkettynä kaikkien kapasitiivisten kosteusantureiden yli sopivimmin jatkuvasti. Kutakin osa-anturia 10 lämmitetään erikseen yhtä kerrallaan. Lämmityksen aiheuttama virhe menee aina N:een osaan, kun rinnan on kytkettynä N kplrtta osa-antureita verrattuna yhden osa-anturin virheeseen. Virhe pienentyy edelleen, kun anturiyhdelmä kalibroidaan ko. lämmityksen ollessa normaalisti toiminnassa. Elektroniikkaa tarvitaan lämmityksen toteuttamiseksi ja mittauksen suorittamiseen. Tällainen antureiden rinnankytkentä 15 voidaan toteuttaa pinta- tai pohjaelektrodin lämmitykseen perustuvilla antureilla. Myös tunnettu hakijan "Humicap" ™ -rakenne on mahdollinen lisättynä lämmitysvastuksella, joka on substraatille höyrystetty tai palavastus. Kosteusanturit voidaan integroida yhdelle tai useammalle substraatille.

; 20 Keksinnössä toteutuu myös se etu, etteivät lämmitykseen käytettyyn sähkövirtaan ; liittyvät erilaiset sähköilmiöt häiritse anturikapasitanssin mittausta, mikä on siinäkin • · · * I suhteessa tärkeää, että kyseiset suhteellisen kosteuden mittauksissa käytetyt anturika- • · · •*V pasitanssit ovat varsin pieniä ja niiden kapasitanssiako on yleensä alueella 1-100 pF.

X « · « · · • · · • · · • · · 25 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen . kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin edullisiin sovellusesimerkkeihin, joiden ·· · .*·*: yksityiskohtiin keksintöä ei ole mitenkään ahtaasti rajoitettu.

« · » • · ···. Kuvio IA esittää päältäpäin nähtynä keksinnön mukaisen anturin ensimmäistä \ 30 sovellusmuotoa.

8 100739

Kuvio IB esittää samaa kuin kuvio IA sivulta nähtynä.

Kuvio 1C esittää kuvion IA ja IB mukaisen anturin sijaiskytkentää.

5 Kuvio 2A esittää keksinnön mukaisen anturin toista sovellusmuotoa.

Kuvio 2B esittää samaa kuin kuvio 2A sivulta nähtynä.

Kuvio 2C esittää kuvioiden 2A ja 2B mukaisen anturin sijaiskytkentää.

10

Kuvio 3A esittää keksinnön mukaisen anturin kolmatta sovellusmuotoa päältäpäin nähtynä.

Kuvio 3B esittää samaa kuin kuvio 3A sivulta nähtynä.

15

Kuvio 4A esittää sivulta nähtynä sellaista keksinnön mukaista kosteusanturia, jonka lämmitysvastus on kiedottu anturin ympärille.

Kuvio 4B esittää samaa kuin kuvio 4A päältäpäin nähtynä.

20 * · l '; '1 Kuvio 5A esittää kuviota 4A vastaavasti siinä esitetyn anturin erästä modifikaatiota.

• · · • · « I « 9 100739

Kuvio 8 esittää lohkokaaviona sellaista keksinnön ensimmäisen edullisen sovellusmuo-don mukaista mittausjäijestelmää, jossa käytetään kahta vuorotellen lämmitettävää anturikapasitanssia.

5 Kuvio 9 esittää kuvion 8 mukaisen mittausjärjestelmän mittaussyklejä ja -sekvenssejä.

Kuvio 10 esittää esimerkkiä sellaisesta elektroniikkakytkennästä, jonka avulla on havaittavissa, onko esim. kuvioiden 4A,4B tai 5A,5B mukaisessa anturissa jäätä tai kosteutta.

10

Kuvioissa IA ja IB esitetty kosteusanturi on rakennettu stabiilille lasisubstraatille 10, jonka toiselle tasopinnalle on tehty anturikapasitanssin elektrodi 13a, jonka päälle on järjestetty sellainen muovikalvo 12, jonka permittiivisyys on kalvon 12 absorboiman vesimäärän funktio. Kalvon 12 päälle on tehty vettä läpäisevä, mutta kuitenkin 15 sähköä johtava pintaelektrodikalvo 14, joka on galvaanisessa yhteydessä pintakontaktiin 13b. Mitattava kapasitanssi CM havaitaan kontakteihin 13a ja 13b liitettyjen napojen ct ja c2 väliltä. Kuvioiden IA ja IB mukainen anturi 10 on varustettu sähkölämmitysvas-tuksella 15, jonka johdekuvio on tehty substraatin 11 samalle pinnalle kuin pohjaelektro-di 13a. Lämmitysvastukseen 15 on johdettavissa lämmityssähkövirta I, sopivimmin ’; 1 20 tasavirta kontaktikuvioihin 15a ja 15b liitettyjen napojen rt ja r2 kautta.

• ; Kuvioiden IA ja IB mukaisen kosteusanturin 10 sähköinen sijaiskytkentä on esitetty • φ · • · · ‘.1V kuviossa 1C. Lämmitysvastukseen R syötetty lämmitysvirta I aikaansaa lämmitystehon

1 8 S

'11/ W = I2 x R, joka lämmittää mitattavan kapasitanssin aktiivista kalvoa 12, sulattaa sen S · · 25 päältä mahdollisesti olevan jään tai huurteen ja haihduttaa kalvon 12 pinnalta ylimää- ·. räisen kosteuden.

* » 1 • · « • 1 · · · • f · 4 « · •

Kuvioissa 2A ja 2B on esitetty toinen keksinnön mukainen kosteusanturi 10, jossa ei käytetä erillistä lämmitysvastusta, vaan lämmitysvastuksen R muodostaa sähköä • 30 johtava pintaelektrodi 14. Pintaelektrodin 14 vastakkaisiin reunoihin on yhdistetty ;: t: johdekuviot 13b ja 15a, joihin liitettyjen napojen rj ja r2 kautta syötetään lämmitysvirta 10 100739 I, joka pintaelektrodin 14 johtavan resistiivisen materiaalin kautta kulkiessaan saa aikaan tarkoitetun lämmitysvaikutuksen W = I2 x R, missä R = pintaelektrodin navoista 13a, 15b mitattu resistanssi. Pintaelektrodi 14 on hyvin ohut kosteutta läpäisevä "reikäinen" esim. kultaa oleva kalvo, joka on kuitenkin sähköisesti yhtenäinen ja siten 5 myös johtava.

Kuvioiden 2A ja 2B mukaisen kosteusanturin 10 sähköinen sijaiskytkentä on esitetty kuviossa 2C, josta näkyy, että mitattavalla kapasitanssilla CM ja pintaelektrodista muodostuvalla lämmitysvastuksella R on yhteinen napa c2 = r2.

10

Kuvioissa 3A ja 3B on esitetty muutoin kuvioiden IA ja IB mukainen anturi 10 paitsi, että lämmitysvastus 15 on sijoitettu lasisubstraatin 11 elektrodeihin 13a, 14 ja aktiiviseen kalvoon 12 nähden vastakkaiselle pinnalle. Kuvioiden 3A ja 3B mukaisen kosteusanturin sijaiskytkentä on kuviossa 1C esitetyn kaltainen. Keksinnön tarkoitusperien saavutta-15 miseksi kuvioissa 1,2 ja 3 esitettyjen antureiden mitat 1 x m x s ovat suhteellisen pienet niin, että anturista saadaan kooltaan sekä termiseltä massaltaan pieni ja täten riittävän nopeasti lämpenevä ja jäähtyvä. Tyypillisesti edellä esitetyt dimensiot 1 x m x s ovat « 4 mm x 1,5 mm x 0,2 mm .

20 Kuvioissa 4A ja 4B on esitetty sellainen keksinnön mukainen anturi 10, joka on kiinnitetty tukiliuskoihin 16a ja 16b, jotka ovat eristeainetta. Tukiliuskojen 16a, 16b • « * ; ympärille ja samalla aktiivisen anturin 10 ympärille on kiedottu vastuslankaa 15, josta » i » * · f *’*.* muodostuu anturia lämmittävä vastus R, jonka napoihin rj ja r2 syötetään lämmitys- * · · V,/' virta I. Kuvioissa 5A ja 5B on esitetty muutoin kuvioissa 4A ja 4B esitetyn kaltainen ta· 25 lämmitetty anturirakenne paitsi, että aktiivinen anturi 10 on kiinnitetty yhtenäiseen . .·, liuskaan 16, jonka samoin kuin anturin 10 ympäri on kiedottu vastuslankaa 15, joka • · # ··* . muodostaa anturin 10 lämmitysvastuksen R. Kuvioiden 4 ja 5 mukaisten antureiden sähköinen sijaiskytkentä on kuviossa 1C esitetyn kaltainen. Täten kuvioiden 4 ja 5 • | i !.!§ mukaisesti varsinainen anturi 10 ja lämmitysvastus 15 sekä sen mahdolliset tukiraken- ·’ 30 teet 16a, 16b ovat kuvioista 1-3 poiketen toisistaan erillistä eri valmistusvaiheissa valmistettua rakennetta. Etuna kuvioiden 4 ja 5 mukaisissa rakenteissa on se, että > t t i 11 100739 kosteusanturina 10 voidaan käyttää ennestään tunnetun kaltaisia antureita, esim. hakijan tavaramerkillä "Humicup"-markkinoimia antureita. Kuvioiden 1-3 mukaisten rakenteiden erityisetuna on kuitenkin niiden pieni koko sekä pieni terminen massa, josta on keksinnön useissa eri sovelluksissa olennaista etua, kuten myöhemmin tarkemmin 5 selviää.

Kuviossa 6 on esitetty sellainen keksinnön mukainen anturiyhdelmä 10P, jossa on N kappaletta anturiosakapasitansseja Cj...CN, jotka on kytketty keskenään rinnan. Kukin osakapasitanssi Cj...CN on varustettu omalla lämmitysvastuksellaan Rj...Rn, joihin on 10 vuorotellen erikseen johdettavissa lämmitysvirta Ij...IN (yleensä li = I2... = In)· Mitattava kapasitanssi CM = Cj -I- C2...+ CN. Mitattavaa kapasitanssia CM voidaan havaita koko ajan. Eri osakapasitanssien Cj...CN lämmitys suoritetaan vuorotellen niin, että aina yhtä osakapasitanssia Cj...CN lämmitetään muiden kapasitanssien samalla jäähtyessä. Lämmityksen aiheuttama virhe täten putoaa N:teen osaan ja kuitenkin 15 saadaan kunkin osakapasitanssin aktiiviselta pinnalta huurre ja jää vuorotellen sulatetuksi ja ylimääräinen kosteus haihdutetuksi. Lämmityksen aiheuttamaa virhettä voidaan vielä pienentää edelleen kalibroimalla anturi kyseisen vuorottaisen lämmityksen ollessa normaalitoiminnassaan. Kun anturikapasitanssia CM mitataan jatkuvasti tai lähes jatkuvasti, osakapasitansseja Cj.-.Cn lämmitetään tietyssä toistettavassa syklissä T0 ' 20 vuorotellen ajan t0 ja em. ajat valitaan siten, että t0 « T0/N, missä N on osakapasitans- • ' sien Cj.-.Cn lukumäärä. Jos jatkuvaa mittausta ei tarvita, voidaan mittaussyklien T0 I I 1 välillä käyttää lepojaksoja ja/tai sellaisia jaksoja, joissa kaikkia osakapasitansseja * · · i · · "V Ci...CN lämmitetään yhtäaikaa.

i · · * · · * ·» u · · t · · 25 Kuviossa 7 on esitetty periaatteellisesti radiosondin keksinnön mukaista mittausmenetel-mää ja keksinnön mukaista kahta kosteusanturia 10j ja 102 soveltava mittausjärjestelmä • · · ,···. lohkokaaviona. Kuvion 7 mukainen jäijestelmä käsittää tuntoelementin 30, sähköläh- I. I f teen 31, anturien 10j, 102 lämmityksen tason säätimen 32 ja lämmitysvirranjakajan 33.

« I « !,! Järjestelmään kuuluvat mittauksen ja lämmityksen ohjausyksikkö 34, sondin tietojenkä- ' 30 sittely-yksikkö 35 (optionaalinen), telemetrilähetin 36 ja antureiden mittauselektroniikka » » I * < •;;/ 40. Järjestelmään kuuluvat lisäksi radiosondin mittaamien fysikaalisten suureiden, « , 4 · 12 100739 kuten paineen ja lämpötilan ja vastaavien anturit 101,102 ja 103...100n ja keksinnön mukaiset kosteusanturit 10j ja 102. Edellä mainitut yksiköt ovat kaasupallon varassa nousevassa radiosondissa ja langattoman telemetrilinkin TE kautta radioyhteydessä maa-aseman radiovastaanottimien 37 ja tietojenkäsittely-yksikköjen 38 kanssa. Yksiköllä 38 5 käsitellään, ilmaistaan ja näytetään antureilla 101...100n,10! ja 102 havaitut ilmakehän fysikaaliset suureet. Yksikkö 33 ohjaa lämmitinyksikköjä 20i,202, jotka lämmittävät kosteusantureita 10j ja 102 sopivimmin vuorotellen siten, että kussakin lämmitysvai-heessa saadaan kyseisen anturin 10t ja 102 pinnalta jää tai huurre sulatetuksi ja kosteus haihdutetuksi sekä siten, että se anturikapasitanssi CM, jota mitataan, on ehtinyt 10 jäähtyä riittävän lähelle ympäristön lämpötilaa ilman, että on tarpeen mitata anturika-pasitanssin CM lämpötilaa ja suorittaa sen perusteella mittaustulosten kompensaatiolas-kentaa. Kuviossa 7 esitettyä järjestelmää voidaan käyttää myös kuvion 6 mukaisen anturin yhteydessä kuitenkin siten modifioituna, että lämmitystä vuorotellaan kunkin N kappaleen osa-anturin Cj...CN osalta ja kapasitanssin CM mittaus suoritetaan kuviossa 15 6 esitetyn anturin navoista Cj ja c2.

Kuvion 7 jäijestelmässä kosteusanturit 10! ja 102 toimivat vuorotellen mittausantureina. Järjestelmä voi toimia myös siten, että elektroniikka 40 mittaa molempia kosteusantu-reiden 10! ja 102 kapasitansseja CM koko ajan ja vain anturien lämmitystä yksiköiden ' 20 20j ja 202 avulla vuorotellaan. Tällöin oikea kosteushavainto (jäähtynyt anturi 10! ^ ' ' : 102) erotetaan tietojenkäsittelyllä perustuen siihen, että liian lämmin anturi 10! ^ 1¾ t « · ’·*·/ näyttää alhaisempaa lukemaa, joka hylätään.

i · » • · · • · « ♦ • · • · · • · · mKuviossa 8 on esitetty kuvion 7 mukaisen järjestelmän tarkempi toteutusesimerkki. • · · 25 Kuvion 8 mukaisesti järjestelmä käsittää mittaussekvenssiyksikön 43, joka ohjaa .·. multiplekseriä 41 ja antureiden 10! Ja 1¾ lämmityksen ohjausyksikköä 22, johon • · * lämmitysteho syötetään yksiköstä 21. Kosteusantureiden 10. ja 102 yhteydessä on • · · l £* • lämmitysvastukset 15! Ja 152, joihin vuorotellen syötetään lämmitysvirta ja I2 (yleensä Ij = I2) yksikön 21 ohjaamana. Multiplekseri 41 kytkee mittaukseen ja '·* 30 telemetriyhteyteen TE vuoronperään sondin kaikki eri anturit, joita kuviossa 8 on • · · : ; ; merkitty s, p, k2, T, ux = 10!, u2 = 1^2 Ja ^ι· Anturi s edustaa esim. paineanturin 13 100739 lämpötila-anturia, anturi p paineanturia, anturi T lämpötila-anturia ja anturit kj ja k2 tarkasti tunnettuja referenssi- ja kalibrointiantureita. Multiplekserin 41 kautta em. anturit, jotka ovat yleensä kapasitiivisia antureita, kytketään RC-oskillaattorin 42 taajuuden määräävään kapasitanssiosaan, jolloin oskillaattorista 42 saadaan taajuus fM> 5 joka on verrannollinen mitattavaan suureeseen. Taajuudella fM moduloidaan radiolähe-tintä 36.

Kuvion 9 yläosassa on esitetty peräkkäin toistettavat mittaussyklit, joista kuhunkin sykliin kuuluu antureiden s,p,k2,T,u1,u2 ja kj peräkkäinen luenta. Kuvion 9 alaosassa 10 on esitetty pulssikaaviona antureiden ^ = 10t ja u2 = 102 lämmitys-, stabilointi- ja mittaussekvenssit siten, että pulssin ollessa ylhäällä, on kuvion 9 vasemmassa reunassa mainittu toiminto suoritettavana.

Keksinnön ns. harvapulssisovelluksessa voidaan käyttää vain yhtä anturia. Tässä 15 sovelluksessa virheellinen data havaitaan ohjelmallisesti ja suoritetaan interpolointi.

Keksintöön voidaan liittää sellainen piirre, jonka avulla havaitaan anturin aktiivisen pinnan tai sen ympäristön jäätyminen, huurtuminen tai kondensoituneen veden läsnä olo. Tämä piirre voidaan toteuttaa esim. kuviossa 10 esitetyn kaltaisella kytkennällä, :,., · 20 jonka toiminnalle on ominaista lämmitysvastuksen esim. kuvioissa 4 ja 5 esitetyn i mukaisissa rakenteissa olevan lämmitysvastuksen 15 lämpenemisen nousunopeuden tai vastaavan mittaus.

« · · • · · • · · · • · • · · ··;/ Kuviossa 10 esitetty kytkentä käsittää lämmitystehon syöttöyksikön 21, lämmitystar- • · 1 ’·1 ’ 25 peen havainnointiyksikön 23. Yksiköllä 23 ilmaistaan lämmitysvastuksen 15 resistanssin . muutosnopeuteen perustuen lämmitystarve yksikön 23 tulosignaalin Uc perusteella.

· · ^ • · · ΙΥί' Yksikkö 23 antaa lämmitystehon säätöyksikölle 22 ja/tai lämmityspulssin periodin • · ·

säätöyksikölle 24 (optionaalinen) säätösignaalit Cj ja c2. Yksikön 23 toiminta perustuu siihen, että jos lämmitysvastuksen 15 ja sen yhteydessä olevan anturikapasitanssin CM

• 1 30 yhteydessä on kondensoitunutta vettä, huurretta tai jäätä, on lämmityspulssin päälle- kytkemisen jälkeen lämmitysvastuksen 15 resistanssin nousunopeus olennaisesti

M

100739 hitaampaa verrattuna tilanteeseen, jossa lämmitysvastuksen 15 ja anturikapasitanssin CM aktiivisella pinnalla tai sen ympäristössä ei ole kondensoitunutta vettä, huurretta eikä jäätä, koska viimemainitut muodostavat osaltaan anturivastuksen 15 lämpenemistä hidastavaa termistä massaa. Kun lämmitysvaiheen alkaessa anturivastuksen 15 nou-5 sunopeus, joka voidaan ilmaista esim. vakiovirtaa I käytettäessä jännitteen Uc nou-sunopeutena tai vastaavasti, havaitaan määrättyä kynnysarvoa suuremmaksi, lopetetaan lämmitys yksikön 23 signaalien Cj ja/tai C2 ohjaamana. Jos taas vastuksen 15 lämpenemisen ja sen resistanssin nousunopeus on mainittua kynnysarvoa pienempi, jatketaan anturivastuksen 15 keksinnön mukaista periodista lämmitystä yksikön 23 säätösignaali-10 en Cj ja/tai c2 ohjaamana siihen saakka, kunnes mainittu kynnysarvo ylitetään ja/tai ennalta asetettua sekvenssiä noudattaen.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain 15 esimerkinomaisesti esitetyistä.

• · * · * · • » * • « • · · • · • · · • · · • ·· · • · • · · • · · • · · · • · « • · · • · · • · · * * · • · · M· • · · • · · • · * ·

Claims (13)

15 100739

1. Menetelmä suhteellisen kosteuden mittaamiseksi kapasitiivista anturiyhdelmää (101,102;10P) hyväksikäyttäen, etenkin radiosondeissa, jossa anturissa käytetään 5 kondensaattorilevyjen välissä ainetta (12), jonka permittiviteetti on kyseisen aineen (12) absorboiman vesimäärän funktio ja jossa menetelmässä mainittua anturiyhdelmää lämmitetään anturin pinnalle ja/tai ympäristöön kertyneen jään, huurteen ja/tai tiivistyneen kosteuden haitallisten vaikutusten vähentämiseksi, ja jossa menetelmässä anturikapasitanssia (CM) tai sen osaa ((^...CN) lämmitetään ajallisesti ja/tai paikallises-10 ti jaksottaisesti sähkövirralla (I) ja anturikapasitanssin (CM) havaitseminen suoritetaan ilman anturin lämpötilan mittausta anturikapasitanssin tai sen osan (Ci...CN) jäähdyttyä olennaisesti ympäristön lämpötilaan, tunnettu siitä, että menetelmässä käytetään kahta (lOj, 102) tai useampaa eri anturia tai useamman osa-anturin (Ci...CN) rinnankytkentää tai vastaavaa, että useampaa eri anturia (101,102) käytettäessä kutakin 15 anturia lämmitetään vuorotellen ja että suhteellinen kosteus pääasiallisesti havaitaan mainitusta lämmityksestä riittävästi jäähtyneen anturin (10^10^ tai sen osa-anturien (Cj...CN) perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmäs-20 sä käytetään useita rinnankytkettyjä osakapasitansseja (Cj...CN), joihin kuhunkin • '· lämmitysvirta (I) kytketään kiertävässä sekvenssissä vuorotellen ja että mitattava « · ♦ kapasitanssi (CM) havaitaan rinnankytketyn anturiyhdelmän navoista (cj,c2), jolloin N • · · kappaletta osa-antureita (Cj...CN) käytettäessä lämmitettävän tai lämmitetyn anturin • · · • · · *”.* osuus anturin kokonaiskapasitanssista (CM) on vain N:s osa (kuvio 6). I · * • · · 25

^ 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kapasitanssia • · · .···. (CM) mitataan olennaisesti jatkuvasti ja että osakapasitansseja (Cj...CN) lämmitetään • · · tietyssä toistettavassa syklissä (T0) vuorotellen ajan tQ, joka t0 * T0/N. i

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että : : · menetelmässä ennen anturin lämmityksen varsinaista päällekytkemistä havaitaan 16 100739 anturin (10) yhteyteen kerääntyneen jään, huurteen ja/tai tiivistyneen kosteuden läsnäolo.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittu 5 anturin (10) jäätymisen, huurtumisen ja/tai kastumisen havainto suoritetaan anturin yhteydessä olevan vastuskappaleen (15) lämpenemisnopeuden ja/tai ominaisvastuksen muutoksen mittaukseen perustuen (kuvio 14).

6. Kapasitiivinen kosteusanturi, etenkin jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukaisen 10 menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu kosteusanturi (10), joka käsittää eristeainetta olevan substraatin (11), jolle on tehty anturikapasitanssin muodostamista ja kytkemistä varten tarpeelliset kontaktikuviot ja jossa on anturikapasitanssielektrodien välillä aktiivinen eristekalvo (12), jonka permittiviteetti on kyseisen kalvon (12) absorboiman vesimäärän funktio ja jonka kalvon (12) päälle on tehty pintakontakti (14), joka on 15 ohut, vettä läpäisevä ja sähköäjohtava pintaelektrodi (14), johon on kytketty kontakti-kuvio (13b), tunnettu siitä, että anturi käsittää useita osakapasitansseja (CVC2.. .CN), jotka on kytketty rinnan mitattavan anturikapasitanssin (CM) muodostamiseksi ja että kukin osakapasitanssi (Ci,C2...CN) on varustettu omalla lämmitysvas-tuksellaan (Rj...Rn), joihin on erikseen johdettavissa lämmitysvirrat (Ij...IN) kunkin 20 osakapasitanssin (Cj...CN) lämmittämiseksi erikseen.

*·*·/ 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että mainittuun • · · i*V pintaelektrodiin (14) on liitetty kontaktikuviot (13b, 15a) siten, että niiden kautta on • · * *!*..* mainittuun pintaelektrodiin (14) johdettavissa anturia (10) lämmittävä sähkövirta (I) • · · 25 (kuviot 2A,2B,2C). • · · • · *

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että • i t .·. anturissa (10) pintaelektrodilämmitysvastuksen (R) ja mitattavan kapasitanssin (CM) toinen napa (c^r?) ovat yhteisenä (kuviot 2A,2B,2C). i : ~ 30 « « · 17 100739

9. Jonkin patenttivaatimuksen 6-8 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että anturin (10) lämmitysvastus (15) on sovitettu aktiiviseen eristekalvoon (12) nähden anturisubstraatin (11) vastakkaisille pinnoille (kuviot 3A,3B).

10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että kosteusan- turiin (10) on liitetty varsinaiseen anturirakenteeseen (10) nähden erityinen vastuslanka tai -kappale (15), joka on jäljestetty toimimaan kosteusanturin lämmitysvastuksena (R) (kuviot 4A,4B,5A,5B).

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että varsinai sen kosteusanturin (10) yhteyteen on kiinnitetty tukiosa (16) tai tukiosat (16a, 16b), jonka varaan on kiedottu vastuslankakierroksia (15) tai kiinnitetty vastuskappale tai -kappaleita, joka/jotka muodostavat kosteusanturin (10) lämmitysvastuksen (kuviot 4A,4B,5A,5B).

12. Jonkin patenttivaatimuksen 6-11 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että anturissa on joukko N kappaletta rinnankytkettyjä kapasitansseja ja että N * 2...20, sopivimmin N = 5...10.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 6-12 mukainen kosteusanturi, tunnettu siitä, että 20 kosteusanturiin on kytketty yksikkö (23), jolla havaitaan anturikapasitanssien (Cj...CN) yhteydessä olevan lämmitysvastusten (Rj...Rn) resistanssin muutosnopeutta tai siitä *·*·* johdettavaa suuretta anturivastukseen sähkövirtaa (I) syötettäessä, minkä perusteella on • · · ···· ilmaistavissa se, onko anturin lämmitystarve olemassa, missä tarkoituksessa mainittu • · · yksikkö (23) on jäljestetty lähtösignaaleillaan (ct ja/tai (¾) ohjaamaan järjestelmään i : : ‘ 25 kuuluvaa lämmitysvirran säätöyksikköä (22) ja/tai lämmitysvirtapulssin periodin säätöyksikköä (24) (kuvio 10). »I» • « · • · · • · · 18 100739