專利名稱：用于確定氣體濕度的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種如權利要求1前序部分特征所述的用于確定氣體濕度的測量裝置。
在測量氣體中的濕度時，測量分為絕對濕度和相對濕度。絕對濕度是每單位氣體體積所蒸發(fā)的液體體積(通常以g/m3表示)。相對濕度是絕對濕度與飽和濕度的商，其中飽和濕度是指每單位氣體體積所蒸發(fā)的液體的最大可能的體積。這里飽和濕度與溫度有關。
為了測量氣體中的濕度，已知采用一種電容式濕度傳感器，其包含一個電容器，該電容器的電容值隨傳感器周圍氣體的濕度而變化。這種傳感器尤其在高濕度情況下會出現(xiàn)問題。
其中一個危險是，在高濕度情況下，當濕度傳感器的溫度低于周圍氣體的露點溫度時，濕氣在傳感器上冷凝。這一方面會導致測量值有誤，另一方面當傳感器周圍存在化學成分會在有水情況下導致傳感器上形成酸或堿時，會損壞濕度傳感器。
另外，在傳統(tǒng)的電容式濕度傳感器使用較長時間后在濕度較高的環(huán)境中會使測量值有偏差，從而導致測量結果有誤。
為了避免這些問題，從德國專利文獻28 51 686 C2中已知加熱濕度傳感器，使之保持在高于氣體溫度的一個溫度上。為了確定相對濕度，在這里除了需要一個由傳感器提供的測量值外，還需要環(huán)境溫度和傳感器溫度，為此需要額外的測量和測量裝置。此外，在這種已知裝置中要求一個復雜的調節(jié)電路。
另外從WO97/02468中已知，通過加熱使?jié)穸葌鞲衅鞅３衷谝粋€高于氣體溫度的一個恒定溫度上。這種公知的裝置用于確定氣體中的絕對濕度，為此除了需要一個由濕度傳感器提供的測量值外還需要氣體的絕對溫度。為此需要額外的測量和測量裝置。此外工作范圍因傳感器的恒定工作溫度而受到限制。當氣體溫度低于傳感器工作溫度時只有在傳感器上沒有形成濕氣的危險情況下才能進行濕度測量。為了用這種由WO97/02468公開的測量裝置確定氣體的相對濕度，要求對測得的絕對濕度測量值進行計算上的修正。
本發(fā)明的任務是提供一種用于確定氣體中的相對濕度的濕度傳感器，其使用與氣體溫度無關，并且不需要額外的測量參數(shù)用于確定濕度含量。
該任務通過一種按權利要求1特征的測量裝置來解決。
據(jù)此，該測量裝置除了一個濕度傳感器和一個連接在該濕度傳感器上的分析單元外，具有一個與濕度傳感器熱耦合的加熱裝置用于使?jié)穸葌鞲衅鞅３衷谝粋€比濕度傳感器環(huán)境溫度高一個至少近似恒定的溫差的工作溫度上。
在本發(fā)明的測量裝置中，通過使傳感器的溫度保持與環(huán)境溫度無關并高于環(huán)境溫度，可靠地避免了在濕度傳感器上的液體冷凝。在本發(fā)明的測量裝置中，濕度傳感器可采用一個傳統(tǒng)的電容式濕度傳感器來確定氣體中的相對濕度。這種傳感器具有一個第一電極和一個第二電極，兩者之間是對濕度敏感的電介質，其介電常數(shù)隨濕度而變化。借助適當?shù)姆治鲭娐罚谶@種濕度傳感器中通過電容器的電容可以確定傳感器周圍的濕度。由于濕度傳感器上因加熱引起的溫度升高，通過濕度傳感器獲得的測量值相對氣體中的實際濕度具有一個偏差，其中溫差越大，該偏差越大。測量數(shù)值與實際數(shù)值的這種偏差當然可以在濕度傳感器的調準或者說在廠方的補償校準時已經考慮，因此在使用測量裝置過程中除了濕度傳感器的輸出值外不需要其它測量參數(shù)來確定氣體中的相對濕度。
本發(fā)明的優(yōu)選設計方案是從屬權利要求的主題。
根據(jù)本發(fā)明的第一種實施形式，用于加熱濕度傳感器的加熱裝置具有一個電加熱元件，該電加熱元件供入恒定的電功率。該加熱元件具體是一個熱阻，其連接在一個恒壓源或一個恒流源上。因此，在熱阻中轉換為熱能的功率是所施加電壓的平方與阻值的商，或者是熱阻中流動的電流的平方與阻值的乘積。這種將一段時間內恒定的電功率轉換為熱能的加熱裝置能夠使與加熱元件熱耦合的濕度傳感器保持在一個比環(huán)境溫度高一個近似恒定的溫差的溫度上。
被加熱的濕度傳感器，最好是一個傳統(tǒng)的電容式濕度傳感器，提供了一個與濕度傳感器上的相對濕度或者說與濕度傳感器附近環(huán)境的相對濕度有關的測量值。氣體中的相對濕度與溫度有關，因此通過加熱濕度傳感器到一個高于氣體溫度的溫度導致出現(xiàn)在濕度傳感器上獲得的相對濕度與在較低溫度下氣體其它部位的相對濕度之間的偏差。在本發(fā)明的一種實施形式中，在分析單元中具有一個修正單元，其從一個借助濕度傳感器電容獲得的第一測量值得出相對濕度的一個修正的測量值，其中該修正的測量值與氣體中的相對濕度成比例或者與相對濕度相當。
本發(fā)明還涉及一種借助一個測量裝置確定氣體中相對濕度的方法，所述測量裝置具有一個濕度傳感器和一個連接在該濕度傳感器上的分析單元以及一個與該濕度傳感器熱耦合的加熱裝置。在本發(fā)明方法中，濕度傳感器借助加熱裝置保持在一個至少近似地高于濕度傳感器環(huán)境溫度一個溫差的工作溫度上。
在本發(fā)明的方法中，特別采用一種電加熱裝置，其中將在一定時間內恒定的電功率轉換為熱能并釋放給濕度傳感器。
按照本發(fā)明的一種實施形式，有以下方法步驟來補償校準測量裝置。
在第一步中，將濕度傳感器及與之熱耦合的加熱裝置置于一種處于已知的第一相對濕度和已知的溫度下，其中借助濕度測量裝置確定相對濕度的第一補償校準值。對應于待測氣體實際濕度的已知第一相對濕度將第一修正的測量值描述為由濕度傳感器提供的第一補償校準值。在下一步中，濕度傳感器及加熱裝置置于一種處于已知的第二相對濕度和已知的第一溫度下，其中借助濕度傳感器確定相對濕度的第二補償校準值。這里，已知的第二相對濕度將一個第二修正的測量值構成為由濕度傳感器提供的第二補償校準值。隨后借助已知的第一和第二相對濕度和借助由濕度傳感器提供的第一和第二補償校準值求出能夠將濕度傳感器提供的測量值換算為實際相對濕度值的參數(shù)。
下面借助附圖所示實施例詳細描述本發(fā)明。圖示為

圖1 本發(fā)明測量裝置的第一種實施形式的方塊圖；圖2 相互粘接的一個加熱元件和一個濕度傳感器的俯視圖；圖3 直接接觸的一個加熱元件和一個濕度傳感器的俯視圖；圖4 并列布置的加熱元件和濕度傳感器的結構前視圖；圖5 本發(fā)明測量裝置的一個實施形式的方塊圖，詳細示出了濕度傳感器和加熱裝置以及連接在濕度傳感器上的分析單元；圖6 濕度傳感器的輸出信號和待測氣體中的實際濕度的圖解曲線圖。
只要未作其它說明，附圖中相同的標記表示具有相同作用的相同部件。
圖1示出了用于確定氣體相對濕度的本發(fā)明測量裝置的方塊圖。該測量裝置具有一個濕度傳感器10和一個連接在該濕度傳感器10上的分析單元20用于確定與氣體中相對濕度有關的測量值。分析單元20具體說有一個圖1中未示出的顯示屏，以便將獲得的測量值顯示給使用者。為了加熱濕度傳感器10，在本發(fā)明的測量裝置中設置了一個加熱裝置30，其中加熱裝置的一個加熱元件32與濕度傳感器10熱耦合。加熱裝置30的設計使?jié)穸葌鞲衅?0保持在一個比待測氣體的環(huán)境溫度高一個恒定的溫差的工作溫度上。
這種加熱使得即使在高相對濕度下也不會有液體冷凝在濕度傳感器上，在濕度傳感器上的液體冷凝會導致測量結果有誤和/或損壞濕度傳感器。此外，通過加熱避免了傳感器部位的相對濕度達到很高的值從而引起測量信號出現(xiàn)偏差。為了使?jié)穸葌鞲衅?0保持在至少近似與氣體環(huán)境溫度無關地高于環(huán)境溫度一個差值溫度上，根據(jù)圖1所示的加熱裝置30設計為電加熱裝置，其中將一定時間內恒定的電功率轉化為熱能。為此加熱裝置30具有一個恒壓源34，該恒壓源連接在加熱元件32上。為了將恒壓源34提供的電能轉化為熱能，加熱元件32最好具有一個歐姆阻抗或者由這樣一個歐姆阻抗構成。圖2至4示出了用于加熱元件32A；32B；32C與濕度傳感器10A；10B；10C熱耦合的不同實施例。
圖2a以側視圖示出了一個板狀加熱元件32A和一個板狀濕度傳感器10A，其借助一個傳熱的膠粘劑40連在一起，該膠粘劑置于加熱元件32A與濕度傳感器10A之間。這里，不僅在加熱元件32A中，而且在濕度傳感器10A中，作為接觸面，選擇其中一個面，其與各自元件的其它面相比具有較大的面積，從而能夠獲得加熱元件32A和濕度傳感器10A之間的良好熱耦合。
在圖3所示的實施例中，同樣以側視圖示出了一個加熱元件32B和一個與之熱耦合的濕度傳感器10B，加熱元件32B和濕度傳感器10B同樣在側面相互拼接，所述側面與各自元件32B，10B的其它側面相比具有較大面積，從而可以實現(xiàn)加熱元件32B和濕度傳感器10B之間的良好熱耦合。在圖3所示實施例中取消了傳熱膠粘劑。代替該膠粘劑的是加熱元件32B與濕度傳感器10B直接相互拼接，例如可以采用一種薄層或者厚層工藝方法通過在傳感器10上涂覆一個熱阻作為加熱元件32B來實現(xiàn)。
圖4以俯視圖示出了加熱元件32C與濕度傳感器10C的結構布置的另一種實施例，其中加熱元件32C和濕度傳感器10C在較窄的側面相互拼接，從而板狀加熱元件32C和板狀濕度傳感器10C的前側或后側位于大致一個平面內。
濕度傳感器10最好是一個傳統(tǒng)的電容式濕度傳感器用于確定氣體中的相對濕度。這樣一種濕度傳感器10在圖5中以側視圖示出。其具有一個第一板狀電極12和一個第二板狀電極34，兩者之間是對濕度敏感的電介質16，這樣構成一個電容器11。該電介質16的介電常數(shù)隨電介質16處的濕度而變化，其中第一電極12可以透過濕氣，從而濕氣可以進入到電介質16中。為此第一電極12最好由一個多孔材料制成或者設計成格網狀。與周圍環(huán)境濕度有關的電介質16的介電常數(shù)決定了由第一電極12、第二電極14和電介質16構成的電容器的電容。為了分析介電常數(shù)或者說電容器電容，從而得出濕度傳感器10的環(huán)境相對濕度，濕度傳感器10接在分析單元20上。
分析單元最好有一個未詳細示出的振蕩電路，其中電容器11是該振蕩電路的一部分，電容器11的電容借助該振蕩電路的共振頻率得出。為了由電容器的電容值或者振蕩電路的共振頻率確定相對濕度，需要將該值換算或者標準化為相對濕度值。因為在制造電容器時有制造誤差，所以濕度傳感器與濕度傳感器的換算參數(shù)或者標準化參數(shù)是不同的。
為了在濕度測量中消除制造誤差，每個濕度傳感器都要求對求出的測量值與實際測量值進行個別調準或者個別補償校準。這種補償校準由廠方進行，而與后來的使用者無關，因此無需根據(jù)使用條件事后調準測量裝置。
測量裝置在第一次使用之前的補償校準是公知的并且例如借助一個電位器在分析電路中進行，這由廠方完成，以平衡電容器的制造誤差。
按照本發(fā)明的一種實施形式，分析單元有一個第一分析單元22，該分析單元發(fā)出一個第一測量信號M1，該測量信號與電容器的電容有關，從而與濕度傳感器10處的濕度有關。在該第一測量信號中相對實際濕度值存在偏差，該偏差由電容器的制造誤差和濕度傳感器相對環(huán)境溫度的加熱而產生。
氣體中的相對濕度與溫度有關。相對濕度是絕對濕度與飽和濕度之商，其中絕對濕度是指每單位氣體體積所蒸發(fā)的液體體積，飽和濕度是每單位氣體體積所蒸發(fā)的最大可能的液體體積。這里，在給定氣體絕對濕度情況下，相對濕度隨著溫度升高而降低。因此在本發(fā)明的測量裝置中，在濕度傳感器10上得出的相對濕度值總是小于氣體中的實際相對濕度值。
圖6示出了對于0％和100％之間的不同相對濕度值，第一分析單元22的第一測量值M1。其中以N表示的曲線代表實際濕度值，或者說測量裝置對該濕度值的理想輸出。圖中可以看出，第一測量值M1與實際測量值N有偏差。這些偏差一方面是由于濕度傳感器的電容器的制造誤差造成，另一方面是由于濕度傳感器的加熱造成。考慮到完整性，圖6示出了用同一個濕度傳感器在不加熱情況下得出的測量值M0。
在圖5所示的測量裝置中，第一分析單元22后接一個修正單元24，其將第一測量值M1換算為相應的修正的測量值N。第一測量值曲線和修正的測量值曲線都是一條直線，其中第一測量值曲線滿足公式M1＝ax+b，而實際測量值的曲線滿足公式N＝x，其中x代表實際相對濕度參數(shù)。所有第一測量值M1都可以借助M1與N的相互關系借助下面的等式換算為實際測量值(標準化測量值)N＝1/a M1-b/a＝c M1-d (1)其中圖6中所示的實施例適用系數(shù)c＝1.43，附加值d＝35.71。
第一測量值M1到相對濕度的實際測量值N的計算或者對應可以在修正單元中以各種形式和方式進行。
因此，按照本發(fā)明的一種實施形式，在修正單元中設置一個計算單元，其借助等式(1)由第一測量值M1計算出實際測量值N，其中實際測量值N輸出到一個顯示單元26。等式(1)的兩個參數(shù)在廠方調準時存儲在修正單元中。兩個參數(shù)c，d的計算基于第一測量值M1的線性等式。為了建立該線性等式，在一個恒溫情況下用于不同濕度的兩個測量值就足夠。
求出的用于將第一測量值M1換算為輸出的標準化測量值N的參數(shù)基本上與溫度無關。這樣，在本發(fā)明的測量裝置的一次試驗中只由兩個測量值建立第一測量值M1的直線等式，這兩個測量值是在溫度為25℃和已知相對濕度為11％和75％的情況下測量的。借助這兩個測量值求出并存儲參數(shù)c和d，接著借助第一測量值M1和等式(1)在濕度傳感器的分析單元中確定溫度在-30℃到120℃之間的氣體的相對濕度，而不會在輸出的測量結果和相對濕度的實際值之間出現(xiàn)明顯的因溫度引起的偏差。
為了使第一測量值與修正的測量值對應，也可以在修正單元中存儲一個表格，該表格包括第一測量值和相應的修正的測量值，其中對輸入給修正單元的每一個第一測量值M1，都從該表格中讀出相應的修正的測量值。
為了將第一測量值M1換算為標準化的測量值N，第一測量值M1的曲線與標準化測量值N的曲線是否因制造電容器時的制造誤差、因濕度傳感器的加熱或者因這兩個因素造成偏差是無關緊要的。因此作為分析單元，本發(fā)明可以設置已知濕度傳感器的通用分析單元，其中可以在濕度傳感器制造之后個別調準。
附圖標記10 濕度傳感器10A，10B，10C濕度傳感器11 電容器12 第一電極14 第二電極16 電介質20 分析單元22 第一分析單元24 修正單元25 存儲單元26 顯示單元30 加熱裝置32 加熱元件32A，32B，32C加熱元件34 恒壓源40 傳熱膠粘劑
權利要求
1.用于測量氣體中的濕度的測量裝置，具有以下特征-一個濕度傳感器(10)和一個連接在該濕度傳感器上的分析單元(20)用于得出一個與氣體中相對濕度有關的測量值；-一個與濕度傳感器(10)熱耦合的加熱裝置(30)；其特征在于，加熱裝置(20)用于將濕度傳感器(10)保持在一個比濕度傳感器環(huán)境溫度高一個至少近似恒定的溫差的工作溫度上。
2.根據(jù)權利要求1所述的測量裝置，其特征在于，加熱裝置(30)具有一個電加熱元件(32)，該電加熱元件被供入在一定時間內恒定的電功率。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的測量裝置，其中加熱裝置(30)具有一個熱阻，該熱阻連接在一個恒壓源(34)上。
4.根據(jù)前述權利要求之一所述的測量裝置，其中濕度傳感器(10)是一個電容式濕度傳感器。
5.根據(jù)權利要求4所述的測量裝置，其中分析單元(20)具有一個第一分析單元(22)用于得出一個與濕度傳感器(10)的電容有關的第一測量信號(M1)。
6.根據(jù)權利要求5所述的測量裝置，其中分析單元(20)具有一個接在第一分析單元后面的修正單元(24)用于計算對于第一測量值(M1)的一個修正的測量值(N)。
7.用于確定氣體中相對濕度的方法，借助一個測量裝置，該測量裝置具有一個濕度傳感器(10)和一個連接在該濕度傳感器上的分析單元(20)以及一個與該濕度傳感器熱耦合的加熱裝置(30)，其特征在于，濕度傳感器(10)借助加熱裝置(30)保持在一個比濕度傳感器(10)環(huán)境溫度高一個至少近似恒定的溫差的工作溫度上。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，加熱裝置(30)是一個電加熱裝置，該電加熱裝置被供入恒定的電功率。
9.根據(jù)前述權利要求之一所述的方法，其中使用一個電容式濕度傳感器。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中，分析單元(20)具有一個修正單元(24)用于計算對于借助濕度傳感器電容得出的第一測量值(M1)的一個修正的測量值(N)。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中為一個第一測量值(M1)輸出一個修正的測量值(N)。
12.根據(jù)前述權利要求之一所述的方法，其中有以下方法步驟用于調準測量裝置-將濕度傳感器(10)及加熱裝置(32)置于一種處于已知第一相對濕度和已知第一溫度下的氣體中，借助濕度測量裝置得出相對濕度的一個第一補償校準值；-將濕度傳感器(10)及加熱裝置(32)置于一種處于已知第二相對濕度和已知第一溫度下的氣體中，借助測量裝置得出相對濕度的一個第二補償校準值；-計算參數(shù)(c，d)用于將第一測量值(M1)借助補償校準值換算為修正的測量值(N)；-將參數(shù)(c，d)存儲在修正單元中。
全文摘要
用于氣體濕度測量的測量裝置，具有以下特征一個濕度傳感器(10)和一個與該濕度傳感器連接的分析單元(20)用于求出一個與氣體中相對濕度有關的測量值；一個與濕度傳感器(10)熱耦合的加熱裝置(30)；該加熱裝置(30)用于使?jié)穸葌鞲衅?10)保持在一個比濕度傳感器環(huán)境溫度高一個至少近似恒定的溫差的工作溫度上。
文檔編號G01N25/56GK1441900SQ01812581
公開日2003年9月10日 申請日期2001年7月4日 優(yōu)先權日2000年7月11日
發(fā)明者M·羅姆巴赫 申請人:特斯托股份有限公司