FI108261B - Method for detection of hygroscopic material such as salt in a SAW dew point pickup - Google Patents

Method for detection of hygroscopic material such as salt in a SAW dew point pickup Download PDF

Info

Publication number
FI108261B
FI108261B FI981453A FI981453A FI108261B FI 108261 B FI108261 B FI 108261B FI 981453 A FI981453 A FI 981453A FI 981453 A FI981453 A FI 981453A FI 108261 B FI108261 B FI 108261B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
sensor
saw
measured
impedance
salt
Prior art date
Application number
FI981453A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI981453A (en
FI981453A0 (en
Inventor
Veli-Pekka Viitanen
Original Assignee
Vaisala Oyj
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 Vaisala Oyj filed Critical Vaisala Oyj
Priority to FI981453A priority Critical patent/FI108261B/en
Publication of FI981453A0 publication Critical patent/FI981453A0/en
Publication of FI981453A publication Critical patent/FI981453A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI108261B publication Critical patent/FI108261B/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Description

108261108261

Menetelmä hygroskooppisen materiaalin kuten suolan ilmaisemiseksi SAW-kastepisteanturissa 5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen menetelmä hygroskooppisen materiaalin kuten suolan ilmaisemiseksi SAW-kastepisteanturissa.The invention relates to a method for detecting a hygroscopic material such as salt in a SAW dew point sensor.

Kaasujen suhteellista kosteutta voidaan mitata monilla eri 10 tekniikoilla, kuten mittaamalla kosteutta absorboivan materiaalin dielektrisyysvakion tai johtavuuden muutosta. Suhteellinen kosteus voidaan selvittää myös mittaamalla kaasun tiheyttä tai kastepistettä.The relative humidity of the gases can be measured by a variety of techniques, such as measuring the change in the dielectric constant or conductivity of the moisture-absorbing material. The relative humidity can also be determined by measuring the gas density or dew point.

15 Kaasun kastepisteen suora mittaus voidaan toteuttaa esimerkiksi mittaamalla jäähdytetyn peilipinnan heijastuskertoimen muutosta tai mittaamalla jäähdytetyn kvartsikiteen ominaistaajuuden muutosta sen pinnalle kertyvän massan havaitsemiseksi, tai havaitsemalla pinta-aaltoanturin ominaistaajuuden 20 tai vaimennuksen muutosta joista voidaan havaita kasteen kertyminen. Kastepisteen mittaukseen liittyy luonnollisesti · i : : : myös kastepisteanturin aktiivisen pinnan lämpötilan mittaus.Direct measurement of the gas dew point can be accomplished, for example, by measuring a change in the reflection coefficient of a cooled mirror surface, or measuring a change in the specific frequency of a cooled quartz crystal to detect mass accumulating thereon. Of course, dew point measurement involves: i::: also measuring the active surface temperature of the dew point sensor.

* * Pinta-aaltoanturin käyttö kastepisteen ilmaisemiseen on tun- • · *.*.· 25 nettu mm. US-patentista 4,378, 168 sekä julkaisusta [K.A.* * The use of a surface wave transducer to detect the dew point is recognized by • · *. *. · 25 mm. U.S. Patent 4,378,168; and [K.A.

• · · V · Vetelino et ai., Sensors and Actuators B35-36(1996) 91-98] :.V Pinta-aaltoanturia (SAW-anturi) käytetäänkin yleisesti kaste- • · · V ' pisteen mittaukseen. Pinta-aaltoanturin käytöllä saavutetaan . .·. 30 optiseen mittaukseen nähden lisäetuja: Pinta-aaltoanturista • · · .···. voidaan mitata samanaikaisesti useita toisistaan riippumatto- \ mia sähköisiä parametreja (transmissio, taajuus, heijastus- ;··_ kerroin, impedanssi), joita analysoimalla voidaan saada tie- toa anturin pinnalla olevan veden määrästä, olomuodosta sekä 35 anturin likaantumisesta. Pinta-aaltoanturin vaimennus- tai taajuusmuutos on tyypillisesti verrannollinen anturin pinnal- 108261 2 la olevan massan muutokseen. Optisissa mittalaitteissa taas esim. kasteen pisarakoko tai jään pinnanlaatu voivat vaikuttaa voimakkaasti heijastus- tai sirontakertoimen käyttäytymiseen veden tai jään massan funktiona. Edelleen pinta-5 aaltoanturin herkkyys on parempi kuin mitä optisella menetelmällä voidaan saavuttaa.[Vetelino et ai.]• · · V · Vetelino et al., Sensors and Actuators B35-36 (1996) 91-98]: The .V surface wave sensor (SAW sensor) is commonly used to measure the dew point. The use of a surface wave sensor is achieved. . ·. 30 additional advantages over optical measurement: • Surface wave sensor • · ·. ···. several independent electrical parameters (transmission, frequency, reflection; ··· coefficient, impedance) can be measured simultaneously, which can be analyzed to provide information on the amount of water on the sensor surface, its state, and the fouling of the sensor. The change in the attenuation or frequency of the surface wave sensor is typically proportional to the change in mass on the surface of the sensor. In optical measuring instruments, for example, the dew drop size or ice surface quality can strongly influence the behavior of the reflection or scattering coefficient as a function of water or ice mass. Further, the sensitivity of the surface-5 wave sensor is better than what can be achieved by the optical method. [Vetelino et al.]

Erityisesti teollisuusympäristössä on ongelmana hygroskooppisten epäpuhtauksien, kuten suolojen, kertyminen anturin 10 pinnalle, jossa ne muuttavat mitattua kastepistettä. Tämä tapahtuu koska samoissa olosuhteissa suolapitoisen veden pinnalla vesihöyryn osapaine on huomattavasti matalampi kuin puhtaan veden pinnalla. Epäpuhtauksien havaitsemiseen kapasi-tiivisen kastepisteanturin pinnalta on kehitetty menetelmä 15 joka on kuvattu US-patentissa 4,626,774.Particularly in the industrial environment there is a problem with the accumulation of hygroscopic impurities, such as salts, on the surface of the sensor 10, where they alter the measured dew point. This occurs because under the same conditions the partial pressure of the water vapor on the surface of saline water is significantly lower than on the surface of pure water. A method 15 for detecting impurities on the surface of a capacitive dew point sensor is described in U.S. Patent 4,626,774.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen menetelmä hygroskooppisen materiaalin kuten suolan ilmaisemi-. , 20 seksi SAW-kastepisteanturissa.The object of the present invention is to overcome the drawbacks of the above-described technique and to provide a completely new type of method for detecting a hygroscopic material such as salt. , 20 sex in a SAW dew point sensor.

*'· ' Keksintö perustuu siihen, että anturin impedanssista riippu- vainen suure kuten anturista heijastunut teho, heijastunut kentänvoimakkuus tai suoraan anturin kapasitanssi tai anturin • · « · · *·1·1 25 impedanssi mitataan ja sen arvoa verrataan normaalitilanteen • · · • · · *♦1 1 vastaavaan arvoon.* '·' The invention is based on the measurement of a sensor impedance-dependent quantity such as sensor reflected power, reflected field strength, or direct sensor capacitance or sensor impedance, and its value is compared to a normal situation. · · * ♦ 1 1 to the corresponding value.

• · :.V Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on ·.· : tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 • 30 tunnusmerkkiosassa.More particularly, the process according to the invention is characterized by what is set forth in the characterizing part of claim 1 • 30.

• · · • · ·• · · • · ·

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.The invention provides considerable advantages.

' Keksinnön mukaisella anturirakenteella voidaan hygroskooppi- 35 sen materiaalin kertyminen anturin pinnalle ilmaista tehokkaasti ja mikäli hygroskooppista materiaalia havaitaan voi- 3 108261 daan anturi puhdistaa ja näin palauttaa alkuperäinen mittaustarkkuus .With the sensor structure of the invention, the accumulation of hygroscopic material on the sensor surface can be effectively detected and if the hygroscopic material is detected, the sensor can be cleaned to restore the original measurement accuracy.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan 5 oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.The invention will now be further explored by means of the embodiments shown in the accompanying figures.

Kuvio 1 esittää periaatekytkentää keksinnön mukaisesta mittalaitteesta .Figure 1 shows a principle connection of a measuring device according to the invention.

10 Kuvio 2 esittää mittaussignaalin käyttäytymistä ilman hygroskooppista materiaalia mitattuna RF-piirianalysaattorilla.Figure 2 shows the behavior of a measurement signal without hygroscopic material as measured by an RF circuit analyzer.

Kuvio 3 esittää mittaussignaalin käyttäytymistä kun hygroskooppista materiaalia on anturin pinnalla mitattuna RF-15 piirianalysaattorilla.Figure 3 illustrates the behavior of a measurement signal when hygroscopic material is present on the sensor surface as measured by an RF-15 circuit analyzer.

SAW-kastepisteanturilla tarkoitetaan tässä dokumentissa anturia, jonka mitattavalle suureelle alttiina olevalla alueella akustinen pinta-aalto kykenee etenemään. Tyypillisesti anturi 20 kokonaisuudessaan on pietsosähköistä materiaalia ja siihen ; sisältyy lähettävät elektrodirakenteet pinta-aallon synnyttä- ‘ miseksi sekä vastaanottavat elektrodirakenteet pinta-aallon vastaanottamiseksi.In this document, the SAW dew point sensor is defined as a sensor whose acoustic surface wave is capable of propagating over a range exposed to a measurable quantity. Typically, sensor 20 as a whole is comprised of piezoelectric material; includes transmitting electrode structures for generating a surface wave and receiving electrode structures for receiving a surface wave.

• · • · · *·[;* 25 Kuviossa 1 on esitetty SAW-kastepisteanturin tyypillinen os- • · · *·* * killaattorikytkentä, jossa pinta-aalto kulkee kvartsisubst- raattia pitkin IDT-antennista toiseen. Kytkentä käsittää • · • · · *·*·* operaatiovahvistimen 1, anturielementin 2 ja sovitinkelat 3 • · · • · · *.* * ja 4, joiden avulla anturin impedanssi sovitetaan halutuksi.Figure 1 shows a typical oscillator coupling of a SAW dewpoint sensor, where a surface wave traverses a quartz substrate from one IDT antenna to another. The connection comprises an operational amplifier 1, a sensor element 2, and adapter coils 3, which are used to adjust the sensor impedance to the desired one.

: 30 Itse anturi 2 käsittää sormielektrodiparit 5 ja 6, jotka ovat • · * . toisista päistään kytketty maapotentiaaliin ja toisista päis- *. tään sovitinkeloihin 3 ja 4. Sormielektrodipari 5 toimii akustisen aallon muodostajana ja sormielektrodipari 6 aallon « K · vastaanottajana. Sormielektrodeja 5 ja 6 kutsutaan myös IDT-35 antenneiksi. Pinta-aaltoanturin 2 pinnalle, elektrodiparien 5 ja 6 väliin mittausalueelle 7 muodostuva huurre tai kaste 4 108261 vaimentaa pinta-aaltoa, jolloin anturin läpi kulkevaa amplitudia mittaamalla saadaan tieto kasteen tai huurteen määrästä. Pinta-aaltoanturin pinnalle muodostuva kaste pienentää pinta-aallon kulkunopeutta, jolloin aallonpituuden ollessa 5 anturin pinnalla olevien antennikuvioiden määräämä myös läpimenevän signaalin taajuus pienenee [Vetelino et ai.].The sensor 2 itself comprises pairs of finger electrodes 5 and 6, which are • · *. at one end connected to earth potential and at other ends *. The pair of finger electrodes 5 acts as an acoustic wave generator and the finger electrode pair 6 acts as a receiver for the wave K. Finger electrodes 5 and 6 are also called IDT-35 antennas. Frost or dew 4 formed on the surface of the surface wave transducer 2, between pairs of electrodes 5 and 6, 108261 suppresses the surface wave, thereby measuring the amount of dew or frost by measuring the amplitude passing through the transducer. The dew formed on the surface of the surface wave sensor reduces the surface wave propagation speed, whereby the wavelength being 5 also determines the frequency of the transmitted signal determined by the antenna patterns on the surface of the sensor [Vetelino et al.].

Anturin 2 pinnalle esimerkiksi teollisuusympäristössä kertyvä suola muodostaa veden kanssa johtavan nestekalvon anturin 10 pinnalle. Koska anturin lähetin- 5 ja vastaanotinantenni 6 on oikosulun välttämiseksi tyypillisesti eristetty oksidikerrok-sella, suolakerros muuttaa antennin puolikkaiden välistä kapasitanssia oikosulkematta antenneja galvaaniseesti. Suola-kerroksen ja antennin puolikkaiden muodostama kapasitanssi on 15 tyypillisesti häviöllinen. Kapasitanssin arvo muuttuu anturin pinnalla olevan vesimäärän kasvaessa. Kapasitanssin ja sen häviöllisyyden muutos aiheuttaa tyypillisesti anturin ja tehonsyötön välisen sovituksen muutoksen, joka on mitattavissa edullisesti heijastuneen tehon amplitudin avulla. Esimer-20 kiksi syötettäessä kuviossa 1 esitetyn tyyppistä kuivaa antu-: ·' ria 2 koaksiaalikaapelin (50 Ohmia) kautta saadaan kelojen 3 ' : : ja 4 avulla kuvion 2 mukainen taajuusvaste, jossa on maksimi . 77,4 MHz:n taajuudella. Kun kyseinen anturi menee kasteeseen '· havaitaan n. 67 MHz taajuudella tyypillisesti -30 dB syvyinen • · 25 heijastuneen tehon minimi kuvion 3 mukaisesti, joka ilmaantuu • · · · vain kun anturin pinnalla on hygroskooppista ainetta kuten suolaa. Edullisesti anturista 2 heijastunutta tehoa tai hei-:Y: jastunutta kentänvoimakkuutta tai anturin kapasitanssia tai anturin impedanssia mittaamalla voi siis havaita onko anturin ... 30 pinnalla suolaa, jolloin mitattu kastepisteen arvo on epä- • · · .**·. luotettava ja anturin puhdistus on tarpeen.For example, the salt accumulating on the surface of the sensor 2 in an industrial environment forms a water conductive liquid film on the surface of the sensor 10. Since the transmitter 5 of the sensor and the receiver antenna 6 are typically insulated with an oxide layer to prevent short circuits, the salt layer changes the capacitance between the antenna halves without shorting the antennas to galvanic earth. The capacitance formed by the salt layer and the antenna halves is typically lossy. The value of the capacitance changes as the amount of water on the sensor surface increases. The change in capacitance and its loss typically results in a change in the fit between the sensor and the power supply, which can be measured preferably by the amplitude of the reflected power. For example, when a dry sensor of the type shown in Fig. 1 is fed through a coaxial cable (50 ohms), the coils 3 ': and 4 provide the frequency response of Fig. 2 with a maximum. At 77.4 MHz. When the sensor in question dips, · at a frequency of about 67 MHz, a depth of typically -30 dB is detected · · 25 minimum reflected power as shown in Fig. 3, which occurs only when the surface of the sensor contains hygroscopic material such as salt. Advantageously, by measuring the reflected power or the: Y: reflected field strength or the sensor capacitance or the sensor impedance of the sensor 2, it is possible to detect the presence of salt on the sensor ... 30, which results in a measured dew point value. reliable and sensor cleaning is required.

’ Tyypillisesti mittaus toteutetaan käytännössä siten, että synnytetään SAW-kastepisteanturiin akustinen pinta-aalto ja 35 mitataan RF-signaalin heijastumista ainakin yhdellä taajuudella joka ei ole SAW-kastepisteanturin päästökaistalla, ja 5 108261 päätellään heijastuskertoimen muutoksesta verrattuna puhtaasta anturista aikaisemmin mitattuun referenssiarvoon hygroskooppisen epäpuhtauden olemassaolo anturin pinnalla.Typically, the measurement is implemented in practice by generating an acoustic surface wave for the SAW dewpoint sensor and measuring the RF signal reflection at at least one frequency not in the SAW dewpoint sensor passband, and 5108261 deduces the change afloat.

5 Suola aiheuttaa myös veden kertymisen pisaroiden sijasta vesikalvona, mikä muuttaa anturin akustista impedanssia ja sitä kautta vaikuttaa osaltaan RF-tehon sovitukseen.5 Salt also causes water to accumulate instead of droplets as a water film, which alters the sensor's acoustic impedance and thereby contributes to RF power matching.

« · * 4 4 • · • « · • · · • · • * * • · » • · · • · * « » » · · • · IM • · · • · * • · ·«· * 4 4 • • • • • • • • • • • * • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •••••••••• IM

» « I»« I

• · · • * * < · « 4 4 < i t• · · • * * <· «4 4 <i t

Claims (6)

108261108261 1. Menetelmä hygroskooppisen materiaalin kuten suolan ilmai-5 semiseksi SAW-anturissa, jossa menetelmässä synnytetään SAW-anturiin akustinen pinta-aalto ja mitataan sen muutosta kuten esimerkiksi vaimennusta, tunnettu siitä, että 10 - määritetään anturin (2) impedanssi kun anturin pinnalla on vettä ja verrataan sitä puhtaan anturin impedanssiarvoon.A method for detecting a hygroscopic material such as salt in a SAW sensor, which method generates an acoustic surface wave and measures its change, such as attenuation, in a SAW sensor, characterized in that 10 - determines the impedance of the sensor (2) when water is present. and comparing it to the impedance value of the pure sensor. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitataan impedanssi mittaamalla anturin (2) hei-jastuskerroin vähintään kahdella eri taajuudella.Method according to claim 1, characterized in that the impedance is measured by measuring the reflection coefficient of the sensor (2) at at least two different frequencies. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että anturin (2) heijastuskerroin ; ; mitataan pyyhkäisemällä ennalta määritelty taajuusalue läpi.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the reflection coefficient of the sensor (2); ; is measured by swiping through a predetermined frequency range. 4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, \ ' tunnettu siitä, että pinta-aaltoanturin impedanssin • · * *·]* 25 muutos mitataan taajuusalueella 10 - 500 MHz ja verrataan • · · '·* ' arvoa samalla taajuusalueella siihen vertailutilanteeseen jossa anturin pinnalle kertyvä vesi on puhdasta. • * • · · ♦ · # • · » · « *.* * 5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, ; 30 tunnettu siitä, että mitataan anturin transmissiota, « * » joka mitataan silloin kun anturin pinnalla ei ole vettä tai jäätä, antamaan lisäinformaatiota anturin pinnalla olevan lian määrästä.The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the change in the impedance of the surface wave sensor • · * * ·] * 25 is measured in the frequency range 10 - 500 MHz and the value in the same frequency range is compared to the reference situation the water that accumulates is pure. The method according to any one of the preceding claims,; 30 characterized by measuring transducer transmission, «*», which is measured when there is no water or ice on the surface of the transducer to provide additional information on the amount of dirt on the transducer. 6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että synnytetään SAW-anturiin akusti- 108261 nen pinta-aalto ja mitataan RF-signaalin heijastumista ainakin yhdellä taajuudella joka ei ole SAW-anturin päästökais-talla, ja päätellään heijastuskertoimen muutoksesta verrattuna puhtaasta anturista aikaisemmin mitattuun referenssiarvoon 5 hygroskooppisen epäpuhtauden olemassaolo anturin pinnalla. 10A method according to any one of the preceding claims, characterized by generating an acoustic 108261 surface wave on the SAW sensor and measuring the reflection of the RF signal at at least one frequency not in the passband of the SAW sensor, and inferring from the to the measured reference value 5, the presence of hygroscopic impurity on the sensor surface. 10 4 I 4 • · • · · • · · • · ·· • · · • · · * • · • · 1 • · 1 * · * · « • · 1 · · • · · • · 8 1082614 I 4 • • • • • • • • • • • • • • • 1 1 · · 1 * · * 8 108261
FI981453A 1998-06-24 1998-06-24 Method for detection of hygroscopic material such as salt in a SAW dew point pickup FI108261B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI981453A FI108261B (en) 1998-06-24 1998-06-24 Method for detection of hygroscopic material such as salt in a SAW dew point pickup

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI981453 1998-06-24
FI981453A FI108261B (en) 1998-06-24 1998-06-24 Method for detection of hygroscopic material such as salt in a SAW dew point pickup

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI981453A0 FI981453A0 (en) 1998-06-24
FI981453A FI981453A (en) 1999-12-25
FI108261B true FI108261B (en) 2001-12-14

Family

ID=8552061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI981453A FI108261B (en) 1998-06-24 1998-06-24 Method for detection of hygroscopic material such as salt in a SAW dew point pickup

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI108261B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI981453A (en) 1999-12-25
FI981453A0 (en) 1998-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI60079C (en) OVERHEAD FREQUENCY FOR OIL ANGLING AV DAGGPUNKT ELLER LIKNANDE
US6664708B2 (en) Method and device for non-contact detection of external electric or magnetic fields
US7795997B2 (en) Apparatus and method for measuring an environmental condition
US6084503A (en) Radio-interrogated surface-wave technology sensor
US8616061B2 (en) Ultrasonic sensor
FI61249B (en) ANORDINATION FOR THE INDICATION OF ASFALTSVAEG ELLER MOTSVARANDE
US20060283252A1 (en) Passive acoustic wave sensor system
US20180224318A1 (en) Apparatus for determining and/or monitoring at least one process variable
US20110100120A1 (en) Fill level switch and sensor element for a fill level switch
JP2004514876A (en) Fluid level measuring device and method
JP4414664B2 (en) Radar system monitoring method and apparatus
KR20070120602A (en) Wireless acoustic oil filter sensor
JP6305444B2 (en) Sensor and method for determining dielectric properties of media
Lu et al. Humidity sensors based on photolithographically patterned PVA films deposited on SAW resonators
US6810750B1 (en) Encoded surface acoustic wave based strain sensor
US20060028213A1 (en) Microwave water weight sensor and process
EP3086116B1 (en) Wireless saw moisture sensor
JPS6197556A (en) Method and device for measuring moisture content or dried component content of material
WO2013022104A1 (en) Apparatus for measuring moisture content amount and/or coating amount of coating layer of sheet-shaped base material
Vellekoop et al. A love-wave ice detector
FI108261B (en) Method for detection of hygroscopic material such as salt in a SAW dew point pickup
JP2005214713A (en) Humidity state detection system
RU2536164C1 (en) Device to detect concentration of mixture of substances
KR100847081B1 (en) Instrument for noncontact measurement of physical property
JP5172595B2 (en) SAW sensor discrimination device and SAW sensor discrimination method