NL8302753A

NL8302753A - Werkwijze en inrichting voor het meten van de vervuiling van een capacitieve dauwpuntsensor.

Info

Publication number: NL8302753A
Application number: NL8302753A
Authority: NL
Original assignee: Endress Hauser Gmbh Co
Priority date: 1982-08-27
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1984-03-16
Also published as: IT8367893A0; DE3231995A1; GB2127975A; SE8304613L; CH661986A5; JPS5985949A; FR2532427A1; US4626774A; IT1159590B; SE8304613D0; GB8323158D0; JPH0260141B2; DE3231995C2; SE460740B; GB2127975B; FR2532427B1

Description

* , 1 -1- 23365/JF/vb

Korte aanduiding: werkwijze en inrichting voor het meten van de vervuiling van een capacitieve dauwpuntsensor.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het meten 5. van de vervuiling van een capacitieve dauwpuntsensor, alsmede op een inrichting voor. het uitvoeren van de werkwijze.

Capacitieve dauwpuntsensoren worden in dauwpuntmeetapparaten toegepast om het optreden van de dauwaanslag op het condensatievlak bij het bereiken van de dauwpunttemperatuur vast te stellen. De werking ervan 10. berust daarop dat de sensorcapaciteit vanwege de grote diëlektriciteits-costante van water bij de vorming van een dauwlaag aanzienlijk verandert.

Door een temperatuurregeling kan de capaciteit en daardoor de dauwlaag-dikte op een bepaalde constante waarde worden gehouden. De door een tem-peratuursensor gemeten temperatuur van het condensatievlak is dan de 15. dauwpunttemperatuur.

De meetnauwkeurigheid van dergelijke capacitieve dauwpuntsensoren neemt met toenemende vervuiling van het sensoroppervlak af. Oorzaken hiervoor zijn de dampdrukvermindering en een niet-homogene dauwvorming.

Het condensatievlak van de dauwpuntsensor dient derhalve van tijd tot 20. tijd te worden gereinigd. Aangezien het echter moeilijk is de mate van vervuiling vast te stellen, bestaat het gevaar dat langere tijd onopgemerkt toenemende meetfouten optreden of dat bij te frequente reiniging de dauwpuntmeting onnodig vaak wordt onderbroken.

Doel van de uitvinding is te voorzien in een werkwijze, waarmee 25. de vervuiling van een capacitieve dauwpuntsensor zonder verstoring of onderbreking van de dauwpuntmeting continu kan worden gemeten.

Volgens de uitvinding wordt dit bereikt, doordat de fasehoek van de bij bedauwing bestaande sensorimpedantie wordt gemeten en als maat voor de vervuiling wordt toegepast.

30. -De uitvinding berust op het inzicht dat de fasehoek van de sen sorimpedantie afhankelijk van de mate van vervuiling van de dauwpuntsensor verandert. In de droge toestand is de impedantie van de dauwpuntsensor onafhankelijk van de mate van vervuiling praktisch een zuiver capacitieve reaktantie, zodat de sensorimpedantie de fasehoek ύ - -90° heeft.

35. Wanneer zich op de dauwpuntsensor een waterlaag vormt, hangt de fasehoek van de elektrische geleidbaarheid van het water af. Bij zuiver water 8302753 l ' ___! -2- 23365/JF/vb blijft in hoofdzaak de fasehoek ύ - -90° bestaan. Deze toestand treedt op wanneer de dauwaanslag zich op een volkomen schoon condensatievlak vormt. Wanneer daarentegen het condensatievlak is vervuild, lossen de vervuilingen op in het water van de dauwaanslag, waardoor het water elektrisch gelei-5· dend wordt. Hoe groter de geleidbaarheid is, des te kleiner wordt de fasehoek ύ van de sensorimpedantie.

De meting van de faseheok van de sensorimpedantie als maat voor de vervuiling van de dauwpuntsensor verschaft een signaal, dat analoog met de mate van vervuiling verandert. De meting kan gelijktijdig met de 1°· dauwpuntmeting continu worden uitgevoerd, zonder dat de dauwpuntmeting daardoor op enigerlei wijze nadelig wordt beïnvloedt. De vervuilingsme-ting is in grote mate onafhankelijk van andere invloedsgrootheden, zoals dauwpunttemperatuur, gastermperatuur, dauwpuntafstand en luchtsnelheid.

Verder werd vastgesteld dat voor niet te hoge meetfrequenties 15. de fasehoek <è van de sensorimpedantie onafhankelijk van de hoeveelheid water, dus van de dauwlaagdikte is. Overigens is de invloed van de dauw-laagdikte ook bij hogere frequenties niet storend, aangezien gewoonlijk door temperatuurregeling een constante dauwlaagdikte wordt ingesteld, zodat ook voor de samenhang tussen fasehoek en mate van vervuiling een 20. eenduiding resultaat wordt verkregen.

Daarentegen werd vastgesteld dat de waarde van de sensorimpedantie een maat voor de hoeveelheid water, dus voor de dauwlaagdikte is.

Een voordelige uitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding bestaat dan ook daaruit, dat de waarde van de sensorimpedantie als maat voor de 25. dauwlaagdikte wordt gemeten.

Een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding heeft het kenmerk, dat de capacitieve dauwpuntsensor tussen een wisselspanningsbron en de ingang van een operationele versterker is aangesloten, in de terugkoppelweg waarvan een referentieimpedantie ligt 30. en dat de uitgang van de operationele versterker met de ene ingang van een fase meetschakeling is verbonden, die aan de andere ingang een van de wisselspanningsbron afgeleid fasereferentiesignaal ontvangt en een van de fasehoek van de sensorimpedantie afhanekelijk uitgangsignaal levert.

Verdere kenmerken en voordelen van de uitvinding blijken uit de 35. volgende beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld aan de hand van de tekening· In de tekening toont: 8302753 -3- 23365/JF/vb »

Figuur 1 een bovenaanzicht van een capacitieve dauwpuntsensor in dunne filmtechniek5

Figuur 2 een aanzicht in doorsnede van de dauwpuntsensor van figuur 1; en 5. Figuur 3 een schema van een dauwpuntmeetapparaat met een capa citieve dauwpuntsensor en met een inrichting voor het meten van de vervuiling van de dauwpuntsensor.

De in fig. 1 in bovenaanzicht en in fig. 2 in doorsnede weergegeven capacitieve dauwpuntsensor 1 heeft een substraat 2, op het oppervlak 10. waarvan twee in elkaar grijpende kamelektroden 3 en A in dunne filmtechniek zijn gevormd. Het substraat 2 bestaat uit een vochtigheidsongevoelig iso-leermateriaal, bij voorkeur uit keramiek. Aan de kamelektroden 3, 4 zijn kontaktvlakken 5 respektievelijk 6 gevormd, die de aansluiting van een uitwendige meetschakeling mogelijk maken. Het de kamelektroden 3, 4 dra-15. gende vlak van het substraat 2 is met een beschermingslaag 7 bedekt, die bijvoorbeeld uit glas bestaat. Op de bovenzijde van de dauwpuntsensor is verder een temperatuursensor 8 voor de meting van de temperatuur van de dauwpuntsensor aangebracht. De temperatuursensor kan bijvoorbeeld de meetweerstand van een weerstandsthermometer zijn.

20. Bij toepassing van een dergelijke capacitieve dauwpuntsensor in een dauwpuntmeetapparaat wordt zoals bekend de dauwpuntsensor door een geschikte koelinrichting gekoeld, tot dat op de bovenzijde van de beschermingslaag 7 dauw neerslaat. Door de vorming van de dauwlaag verandert de aan de contaktvlakken 5 en 6 gemeten capaciteit tussen de kamelektroden 25. 3 en 4 vanwege de grote diëlektriciteitsconstante van water. De capaci-teitsverandering geeft het bereiken van de dauwpunttemperatuur aan, die met behulp van de temperatuursensor 8 wordt gemeten en aangegeven. Gewoonlijk is een temperatuurregelinrichting aanwezig die de koelinrichting zo stuurt, dat een constante dauwlaagdikte in stand wordt gehouden. De 30. dauwpuntsensor wordt daardoor voortdurend op de dauwpunttempertauur gehouden, die met behulp van de temperatuursensor 8 voortdurend kan worden aangegeven.

De meetnauwkeurigheid van de dauwpuntsensor wordt beïnvloedt wanneer de het condensatieviak Vormende oppervlak van de glazen laag 7 35- is vervuild, omdat de vervuiling tot een dampdrukverlaging en een niet homogene dauwvorming kan leiden.

8302753 _____£ -4- 23365/JF/vb

Fig. 3 toont het schema van een dauwpuntmeetapparaat, dat naast de meting van de dauwpunttemperatuur ook de meting van de vervuiling van de dauwpuntsensor mogelijk maakt.

Het vervangingsschema van de dauwpuntsensor is in het gestreep-5· lijnde kader 1 weergegeven. De condensator C stelt de in de droge toestand tussen de kontaktvlakken 5 en 6 optredende capaciteit van de dauwpuntsensor voor, die praktisch verliesvrij is. Wanneer zich op de dauwpuntsensor een dauwlaag heeft gevormd, ligt parallel aan deze capaciteit C de impedantie Z van de dauwlaag, die een met verlies behepte capaci-10* teit vormt, waarvan de verliesfaktor van de elektrische geleidbaarheid van het water afhangt, die wederom door de op het condensatievlak aanwezige vervuiling, die in het water oplost, wordt veroorzaakt.

Het kontaktvlak 5 is met de ene klem van een wisselspannings-bron 10 verbonden, waarvan de andere klem aan massa ligt. Het kontaktvlak 15. 6 is met de inverterende ingang van een operationele versterker 11 ver bonden, waarvan de niet-inverterende ingang aan massa ligt en in de terug- koppelweg waarvan een referentieimpedantie Z ligt.

R

De inverterende ingang van de operationele versterker 11 is verder met de ene klem van een instelbare compensatiecondensator 12 ver-20. bonden, waarvan de andere klem op een wisselspanningsbron 13 is aangesloten, die een met betrekking tot de wisselspanning van de wisselspanningsbron 10 in tegenfase zijnde wisselspanning met dezelfde amplitude levert.

De uitgang van de operationele versterker 11 is met de ene in-25. gang van een fasemeetschakeling 14 verbonden, die aan de andere ingang de spanning tL van de wisselspanningsbron 10 als fasereferentiegrootheid ontvangt. De fasemeetschakeling 14 levert aan de uitgang een van de fase-verschuiving tussen de ingangsspanningen afhankelijk signaal.

Verder is op de uitgang van de operationele versterker 11 een 30- signaalverwerkingsschakeling 15 aangesloten, waarvan het uitgangssignaal aan een temperatuurregelaar 16 wordt toegevoerd. De temperatuurregelaar 16 bestuurt een koelinrichting 17, die de dauwpuntsensor 1 koelt. Fig. 3 toont nog de temperatuursensor 8, die met een temperatuurmeetschakeling 18 is verbonden, die een van de temperatuur van de dauwpuntsensor 1 afhan-35. kelijk signaal levert, dat door middel van een weergeefinrichting 19 wordt weergegeven.

Wanneer wordt aangenomen dat zich een dauwlaag op de dauwpunt- 8302753 v * \ ' -5- 23365/JF/vb sensor heeft gevormd, dan staat buiten de droge capaciteit C ook de impedantie Z van de dauwlaag ter beschikking. De spanningsbron 10 stuurt via de totale impedantie van de dauwpuntsensor 1 naar de inverterende ingang van de operationele versterker 11 een stroom, die is samengesteld uit

5. de via de capaciteit C vloeiende stroom I_en uit de via de impedantie Z

O

van de dauwlaag vloeiende stroom 1^: I=IC+IZ*

De compensatiecondensator 12 is zo ingesteld, dat zijn capaciteit gelijk is aan de '^roge capaciteit C van de dauwpunt sensor 1. De 10. spanningsbron 13 stuurt derhalve via de compensatiecondensator 12 een stroom -I , die de van de dauwpuntsensor 1 komende stroom I kompenseert.

Via de referentieimpedantie vloeit daardoor slechts de stroom I^, die omgekeerd evenredig is met de impedantie Z.

De uitgangsspanning van de operationele versterker 11 neemt 15. derhalve de volgende waarde aan:

ZR

B0 = -°rr

De spanning Üq heeft derhalve een waarde, die omgekeerd evenredig is met de waarde van de impedantie Z en ze bezit ten opzichte van de 2q spanning U. een faseverschuiving, die van de fasehoek van de impedantie Z afhangt. Door geschikte dimensionering van de fasehoek van de referentieimpedantie ZD kan worden bereikt, dat deze faseverschruiving gelijk is

II

aan de fasehoek van de impedantie Z.

Wanneer de impedantie van de dauwlaag in de complexe vorm 25^ Z = R + jX

wordt geschreven, waarin R het reële deel en X het imaginaire deel van de impedantie voorstellen, '.is zoals bekend de fasehoek van de impedantie Z door d| volgende betrekking gedefinieerd: d = arctg j .

2q Wanneer het condensatievlak van de dauwpuntsensor volkomen schoon is, blijft het water in de neergeslagen dauwlaag elektrisch niet geleidend en de impedantie Z is praktisch een zuivere capaciteit, die parallel pan de droge capaciteit C ligt. Het reële deel van de impedantie Z is R =0 en de fasehoek van de impedantie Z heeft een waarde ύ = -90°.

Bij toenemende vervuiling van de dauwpuntsensor neemt de elektrische geleidbaarheid van het water in de. dauwlaag toe en dientengevolge wordt het reële deel R'van de impendantie van de dauwlaag groter, zodat de hoek $ wat betreft absolute waarde kleiner wordt. Dientengevolge verandert ook 8302753 _ , j \ -6- 23365/JF/vb de faseverschuiving tussen de uitgangsspanning Uq van de operationele versterker 11 en de ingangsspaanning tL. Deze verandering van de faseverschuiving wordt door het uitgangssignaal van de fasemeetschakeling 14 weergegeven, dat daardoor een maat voor de vervuiling van de dauwpuntsen- 5. sor 1 is.

Wanneer de frequentie van de wisselspanningsbron 10 niet al te groot is, is de fasehoek ύ in een grote mate onafhankelijk van de op de dauwpuntsensor aanwezige massa water.

Het feit dat de amplitude van de uitgangsspanning Uq van de 10. operationele versterker 11 afhangt van de waarde van de impedantie Z, wordt bij de weergegeven schakeling voor het uitvoeren van de dauwpunt-meting benut, zodat geen bijzondere capaciteitsmeetschakeling noodzakelijk is. De amplitude van de spanning Uq is omgekeerd evenredig met de waarde van de impedantie Z, hetgeen gunstig is, omdat de waarde van de impedantie 15. Z tegengesteld aan deidauwlaagdikte verandert, namelijk bij toenemende dauwlaagdikte kleiner wordt. De amplitude van de spanning UQ verandert dus afhankelijk van de dauwlaagdikte in dezelfde zin als het uitgangssignaal van de bij dauwpuntmeetapparaten gebruikelijk toegepaste capaci-teitmeetschakelingen, namelijk in dezelfde zin als de dauwlaagdikte. Wan-20. neer derhalve de signaalverwerkingsinrichting zo is uitgevoerd, dat deze een met de amplitude van de spanning Uq evenredig uitgangssignaal afgeeft, kan dit uitgangssignaal op dezelfde manier als het uitgangssignaal van een gebruikelijk capaciteitsmeetschakeling voor de regeling van de temperatuur van de dauwpuntsensor worden toegepast.

25. De signaalverwerkingsschakeling 15 kan derhalve een eenvoudige gelijkrichterschakeling zijn, die een met.de amplitude van de spanning Uq evenredige gelijkspanning aan de temperatuurregelaar 16 afgeeft.

Wanneer de dauwpuntsensor 1 nog niet tot de dauwtemperatuur is afgekoeld, bestaat slechts de droge capaciteit C, die echter door de 30. compensatiecondenator 12 is gecompenseerd, zodat de uitgangsspanning Uq de waarde nul heeft. Daardoor wordt de temperatuurregelaar 16 gedwongen de koelinrichting 7 zo te sturen, dat de dauwpuntsensor 1 toenemend wordt afgekoeld. Wanneer de dauwpunttemperatuur is bereikt en zich een dauwlaag op de temperatuursensor vormt, stijgt de uitgangsspanning UQ en de tem-35. peratuurregelaar 16 stuurt de koelinrichting zo, dat de dauwpuntsensor 1 op ^en temperatuur gehouden wordt, die met een bepaalde amplitude van de uit- m 8302753 * -7- 23365/JF/vb gangsspanning U^, dus met een bepaalde waarde van de impedantie Z overeenkomt. Deze temperatuur is de dauwpunttemperatuur, die door de temperatuur-sensor 8 wordt vastgesteld en door het weergeefapparaat 9 wordt weergegeven.

5. Het uitgangssignaal van de fasemeetschakeling 14 kan worden toe gepast om een alarm of een automatisch reinigingsproces te initiëren, wanneer de vervuiling een vastgelegde grenswaarde overschrijdt. In beperkte mate is het ook raogelijk op basis van het uitgangssignaal van de fasemeetschakeling een correctie van de dauwpuntmeetwaarde 10. De door de corapensatiecondensator 12 en de spanningsbron 13 be werkstelligde compensatie van de droge capaciteit C is niet beslist noodzakelijk, want van de vervuiling van de dauwpuntsensor hangt niet alleen de fase en de waarde van de impedantie Z af; maar ook de fase en de waarde van de totale impedantie van de dauwpuntsensor inclusief de 15. droge capaciteit C. De in fig. 3 weergegeven compensatie maakt echter de vervuilingsmeting nauwkeuriger en gevoeliger. Een bijzonder voordeel van de in fig. 3 weergegeven schakeling is dat de meting onafhankelijk van de impedantie van de verbindingskabel tussen de dauwpuntsensor 1 en de meetschakeling is, omdat de kabelimpedantie tussen de beide ingangen 20. van de operationele versterker 11 ligt.

8302753

Claims

1. Werkwijze voor het meten van de vervuiling van een capacitieve dauwountsensor, met het kenmerk, dat de fasehoek van de bij bedauwing bestaande sensorimpedantie wordt gemeten en als maat voor de vervuiling wordt toegepast.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de waarde van de sensorimpedantie als maat voor de dauwlaagdikte wordt gemeten. *>

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de in de droge toestand bestaande capaciteit van de dauwpuntsensor wordt gecompenseerd.

4. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een van de conclusies 1 tot en met 3, met het kenmerk, dat de capacitieve dauwpuntsensor tussen een wisselspanningsbron en de ingang van een operationele versterker is aangesloten, in de terugkoppelweg waarvan een referen-p tieimpedantie ligt en dat de uitgang van de operationele versterker met de ene ingang van een faSemeetschakeling is verbonden, die aan de andere ingang een van de wisselspanningsbron afgeleid fasereferentiesignaal ontvangt en een van de fasehoek van de sensorimpedantie afhankelijk uitgangssignaal levert.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat een com-pensatiecondensator tussen een met betrekking tot de eerste wisselspanningsbron in tegenfase zijnde tweede wisselspanningsbron en de ingang van de operationele versterker is aangesloten. Eindhoven, juli 1983. 8302753