專(zhuān)利名稱(chēng)：濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的主要條款的可以電容性地測(cè)量含在一種材料，主要是疏松產(chǎn)品，中的水分的濕度傳感器。
這種類(lèi)型的濕度傳感器已在專(zhuān)利文獻(xiàn)DE3612282中公開(kāi)，其功能是測(cè)量一種沿導(dǎo)流板流動(dòng)的疏松產(chǎn)品的濕度，這種疏松產(chǎn)品預(yù)先已通過(guò)下落在導(dǎo)流板上被均化，以便使其密度可以再現(xiàn)并始終保持一致。被相應(yīng)應(yīng)用的濕度傳感器被裝在一個(gè)帶有一個(gè)封口板的塑料盒內(nèi)，安裝在導(dǎo)流板上，使得導(dǎo)流板滑動(dòng)面的平面與封口板平齊。在封口板背向疏松產(chǎn)品的那一側(cè)，有一個(gè)其電容器兩極是由兩個(gè)同心線圈構(gòu)成的雜散場(chǎng)電容器。在將一個(gè)電壓加在這兩個(gè)線圈上時(shí)，在這兩個(gè)線圈之間就形成一個(gè)貫穿封口板并貫穿在這個(gè)封口板上流過(guò)的疏松產(chǎn)品的雜散電場(chǎng)。這種效應(yīng)就是該疏松產(chǎn)品相對(duì)于這些雜散電場(chǎng)充當(dāng)其介電常數(shù)基本上取決于疏松產(chǎn)品的濕度的介電體。由于該雜散場(chǎng)電容器的外形條件保持不變，因此可以假定濕度的變化大致正比于雜散電場(chǎng)的電容器的電容的變化。
在將所述的雜散場(chǎng)電容器與一個(gè)作為分壓器的固定電容器相連接的條件下，可對(duì)利用這種類(lèi)型的濕度傳感器中的這些電容量的變化進(jìn)行分析，上述的分壓器由一個(gè)高頻AC源為其供電。這樣，一個(gè)與濕度相關(guān)的高頻電壓存在于該雜散場(chǎng)電容器中，并且可以用電子學(xué)方法加以再處理。再處理是由一個(gè)經(jīng)由一條連接導(dǎo)線與濕度傳感器相連的中心分析器完成的。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，特別是在可運(yùn)輸?shù)幕炷恋纳a(chǎn)中使用上述濕度傳感器是很有用的的。因?yàn)榛炷恋馁|(zhì)量也明確地取決于遵守水/混凝土比值范圍，而這個(gè)比值范圍只有在添加劑的濕度被考慮在內(nèi)的時(shí)候才可以可靠地加以確定。由于單個(gè)的濕度傳感器的不準(zhǔn)確性會(huì)由于相互之間的影響而增長(zhǎng)，使得在檢測(cè)若干添加劑的時(shí)候?qū)τ谒褂玫臐穸葌鞲衅鞯臏y(cè)量精度和靈敏度提出了特別高的要求。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在這些情況下，已知的那些濕度傳感器的精度和靈敏度并不適用于高質(zhì)量的可運(yùn)輸?shù)幕炷恋纳a(chǎn)。若干濕度傳感器的并聯(lián)運(yùn)行中的另一個(gè)問(wèn)題也由于中心分析器不再能分析數(shù)量增加了的數(shù)據(jù)而出現(xiàn)了。此外，替換并聯(lián)運(yùn)行混合系統(tǒng)中的單個(gè)濕度傳感器是非常費(fèi)力的，這是由于為了校正單個(gè)的濕度傳感器不得不中斷該系統(tǒng)的全部混合功能。
因此，本發(fā)明的目的在于制造一種在開(kāi)頭所述的那種類(lèi)型的濕度傳感器，該濕度傳感器滿足對(duì)于并聯(lián)混合功能的精度、靈敏度、互換性和數(shù)據(jù)處理的要求。
基于這種類(lèi)型的濕度傳感器，本發(fā)明的一個(gè)解決辦法是將雜散場(chǎng)電容器的至少一個(gè)極作為導(dǎo)電層加在封口板背向所述的材料或疏松產(chǎn)品的那一側(cè)上。本發(fā)明的解決辦法是基于這樣一個(gè)事實(shí)，即由于在封口板的背面上涂敷有薄薄的涂層，所以可以在這些涂層之間垂直于封口板的平面上形成強(qiáng)有力的電場(chǎng)。通過(guò)與由線圈構(gòu)成的雜散場(chǎng)電容器比較，這意味著可以產(chǎn)生數(shù)量極多的強(qiáng)大的、有用的信號(hào)，這使得整個(gè)傳感器具有較高的靈敏度和較高的精度。
封口板用耐磨陶瓷板制成，最好是由氧化鋁構(gòu)成的，是很實(shí)用的。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是與塑料封口板相比可以顯著地延長(zhǎng)使用壽命，原因在于添加劑通常是硬度很高的磨料。
本發(fā)明的優(yōu)選的技術(shù)規(guī)格形式是導(dǎo)電層由用蒸汽沉積法沉積在封口板上的金屬構(gòu)成。這使得電容器極板與疏松產(chǎn)品有更緊密的接觸，這樣就產(chǎn)生了性能更為良好的介電涂層。在試驗(yàn)中業(yè)已發(fā)現(xiàn)，涂層厚度應(yīng)該在0.01-0.1mm之間，而封口板的厚度應(yīng)該為幾毫米。
按照本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)，設(shè)想雜散場(chǎng)電容器的第二極與外殼或?qū)Я靼宓碾娢贿B接。為此必須僅設(shè)想一個(gè)極作為封口板上的導(dǎo)電涂層，結(jié)果簡(jiǎn)化了它的制造工藝。此外，對(duì)于導(dǎo)流板和外殼的電位來(lái)說(shuō)該導(dǎo)電層起極點(diǎn)作用，這是因?yàn)閷?dǎo)流板/外殼充當(dāng)實(shí)際上尺寸無(wú)限大的一個(gè)極。在試驗(yàn)中業(yè)已發(fā)現(xiàn)，極大的雜散電場(chǎng)可以用一個(gè)環(huán)形金屬涂層構(gòu)成，該涂層的邊緣相對(duì)于相鄰導(dǎo)流板具有幾毫米的距離。
然而，電容器極板的另外一種好的結(jié)構(gòu)包括這樣一種方案，按照這種方案，電容器的兩個(gè)極板是用蒸氣沉積法沉積到封口板上的。在這種情況下，所述的兩極可以很理想地彼此相對(duì)排列成梳形或甚至條形。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)理想的結(jié)構(gòu)形式，為了有效地保護(hù)濕度傳感器抵抗環(huán)境的影響，外殼由不銹鋼構(gòu)成。外殼可以很實(shí)用地由一種圓筒形延長(zhǎng)體構(gòu)成，該圓筒形延長(zhǎng)體的端部被封口板封閉并且由一個(gè)法蘭支撐。該法蘭可以用平行于圓筒形延長(zhǎng)體的中心線的螺絲釘連接到導(dǎo)流板上，安裝法蘭要考慮到用墊將封口板調(diào)節(jié)得與導(dǎo)流板的滑動(dòng)面平齊。使用夾持環(huán)代替法蘭也可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于導(dǎo)流板特別簡(jiǎn)單和有效地調(diào)節(jié)外殼。在這樣一種情況下，夾持環(huán)可以很實(shí)用地帶有一個(gè)徑向縫隙，并且可以借助于一個(gè)垂直于該縫隙的夾持螺栓被夾緊，將它安裝到外殼上。
本發(fā)明需要專(zhuān)利保護(hù)的完成上述任務(wù)的另一個(gè)解決方案包括在外殼內(nèi)設(shè)置一個(gè)數(shù)字運(yùn)算邏輯單元，設(shè)置這個(gè)單元的目的是為了查明作為從電容測(cè)量電路得到的測(cè)量信號(hào)的函數(shù)的濕度值和確定作用在濕度傳感器上的干擾變量。這個(gè)解決方案的特殊的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是該濕度傳感器的運(yùn)行和校正不依賴于中心分析器。這使得濕度傳感器即使在交付使用之前也可以校正，并因此可以加以替換而無(wú)須在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行繁重的校正工作。此外，數(shù)字運(yùn)算邏輯單元能在濕度傳感器中進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，使得可以明顯地減少待傳送到中心分析器中的數(shù)據(jù)量。
為了能完成濕度傳感器的基本校正，校正表顯示出另外一些由作用在該傳感器上的干擾變量構(gòu)成的輸入?yún)?shù)。從這個(gè)意義上講，主要干擾變量是疏松產(chǎn)品的溫度和提供作為雜散場(chǎng)電容器的電容量的函數(shù)的測(cè)量信號(hào)的電容測(cè)量電路的溫度。因此，按照本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)，設(shè)想可以利用一個(gè)初始溫度傳感器測(cè)量電容測(cè)量電路上現(xiàn)行溫度，在這個(gè)意義上，電容測(cè)量電路的溫度是校正表的另一個(gè)輸入?yún)?shù)。還可以很實(shí)用地設(shè)想具有一個(gè)用于測(cè)量封口板上現(xiàn)行溫度的第二溫度傳感器，這樣，封口板和疏松產(chǎn)品的溫度構(gòu)成了校正板的另一個(gè)輸入?yún)?shù)。
另一個(gè)要考慮的擾動(dòng)變化是由于濕度本身引起的待測(cè)量的疏松產(chǎn)品中的密度擾動(dòng)。作為這種情況的一個(gè)例子，如石膏粉末中的攪拌，石膏粉末一加水?dāng)嚢杵潴w積就會(huì)減少。密度擾動(dòng)與材料有關(guān)并隨疏松產(chǎn)品和材料的性質(zhì)而改變，為了能把這些與材料有關(guān)的擾動(dòng)效應(yīng)考慮在內(nèi)，設(shè)想材料的或疏松產(chǎn)品的與濕度相關(guān)的密度應(yīng)該可以在測(cè)量過(guò)程之前或在一種連續(xù)操作的過(guò)程中加以確定，從這個(gè)意義上來(lái)講，材料的或疏松產(chǎn)品的與濕度相關(guān)的密度構(gòu)成了校正表的另一個(gè)輸入?yún)?shù)。將普通疏松產(chǎn)品類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)值輸入計(jì)算機(jī)是非常有用的，結(jié)果，可以根據(jù)疏松產(chǎn)品的質(zhì)量輸入一個(gè)預(yù)定值作為校正表的一個(gè)輸入?yún)?shù)。
為了能在電容測(cè)量電路上進(jìn)行合適的溫度測(cè)量，把電容測(cè)量電路加到具有有效導(dǎo)熱基底的混合變換電路上可能是實(shí)用的。氧化鋁是一種很有用的基底的例子，它具有良好的溫度傳導(dǎo)值，這意味著可以在與溫度相關(guān)的半導(dǎo)體器件和第一傳感器之間產(chǎn)生良好的溫度傳遞。
本發(fā)明的另一種理想的技術(shù)要求包括經(jīng)由總線將計(jì)算機(jī)連接到中心分析器上，在這種情況下，濕度傳感器的計(jì)算機(jī)的中心分析器發(fā)出開(kāi)始命令并調(diào)出查到的濕度值。為了能將線路工作負(fù)荷降到最低限度，設(shè)想使用一條串行總線是有效的。
在利用一系列濕度傳感器的情況下，將中心分析器經(jīng)由總線與若干獨(dú)立的濕度傳感器的數(shù)字運(yùn)算邏輯單元相連是很有效的，結(jié)果，使得在使用一系列濕度傳感器和低工作負(fù)荷的數(shù)據(jù)傳輸和線路附設(shè)的情況下并行混合功能是可能的。作為一個(gè)例子，最多可以把16個(gè)濕度傳感器連接到總線上。
在將濕度值傳輸給中心分析器之前，利用設(shè)置在濕度傳感器中的數(shù)字運(yùn)算邏輯單元計(jì)算一系列測(cè)量值的平均值是很有用的。如果濕度傳感器被設(shè)置在一個(gè)帶有一個(gè)粗的出口和一個(gè)細(xì)的出口的添加劑筒體的下面，那么，根據(jù)粗的出口的位置和細(xì)的出口的位置給響應(yīng)的濕度值加權(quán)是很有用的。因?yàn)榧?xì)的出口只用于再關(guān)閉粗的出口后進(jìn)行精細(xì)的計(jì)量，所以，為細(xì)的出口過(guò)程的測(cè)量值加權(quán)小于為粗的出口過(guò)程加權(quán)是很有用的。當(dāng)只有一個(gè)出口擋板時(shí)，對(duì)于粗的計(jì)量只須完全打開(kāi)出口擋板，對(duì)于細(xì)的計(jì)量只須部分打開(kāi)這個(gè)擋板，通過(guò)這種方式也可以完成精細(xì)的計(jì)量。在該系統(tǒng)由粗計(jì)量轉(zhuǎn)換到細(xì)計(jì)量時(shí)，一個(gè)新的平均過(guò)程被啟動(dòng)，結(jié)果，在該計(jì)量過(guò)程的末尾兩個(gè)測(cè)量值由濕度傳感器被傳送到中心分析器?？梢园堰@些測(cè)量值的定義范圍傳輸給數(shù)字運(yùn)算邏輯單元。采用這種措施可以消除無(wú)關(guān)值或假信號(hào)。
需要專(zhuān)利保護(hù)的本發(fā)明的上述任務(wù)的另一個(gè)解決方案中包括表現(xiàn)出幅值穩(wěn)定性的電容測(cè)量電路使得雜散場(chǎng)電容器上的電壓總是保持恒定。
根據(jù)本發(fā)明的這種技術(shù)方案考慮到材料和疏松產(chǎn)品的導(dǎo)電性能作為一種擾動(dòng)變量被包括在該測(cè)量值之中這種因素。在等效電路中，導(dǎo)電率值可以表示為被并聯(lián)到雜散場(chǎng)電容器上的一個(gè)有源電阻器的電阻值。然而，如果雜散場(chǎng)電容器上的電壓借助于電容測(cè)量電路中的幅值穩(wěn)定保持恒定，那么材料或疏松產(chǎn)品的導(dǎo)電率僅能施加微不足道的影響。為了使用幅值穩(wěn)定，可在電容測(cè)量電路中借助于其頻率是雜散場(chǎng)電容器電容的指數(shù)的一個(gè)振蕩電路。例如，雜散場(chǎng)電容器被并聯(lián)到一個(gè)線圈上，在這種情況下，振蕩電路上的電壓借助于一個(gè)放大器防止衰減。按照這種設(shè)置，連接到該振蕩電路或雜散場(chǎng)電容器上的電壓借助于幅值穩(wěn)定而保持恒定，結(jié)果，疏松產(chǎn)品或材料的導(dǎo)電率的變化對(duì)振蕩電路的振蕩頻率的影響僅僅是微不足道的。
需要專(zhuān)利保護(hù)的解決本發(fā)明的上述任務(wù)的另一個(gè)解決方案包括一個(gè)在它交付使用前校正該濕度傳感器的過(guò)程。根據(jù)本發(fā)明的這一過(guò)程，預(yù)先將一種具有已知介電特性的材料樣品安裝在該濕度傳感器的封口板的上游。該傳感器交替地冷卻至最低允許操作溫度和加熱到最高允許操作溫度。在加熱過(guò)程中，該校正表是按照電容性測(cè)量電路的和/或第一溫度傳感器的的和/或第二溫度傳感器的測(cè)量信號(hào)和/或其他輸入信號(hào)的參數(shù)的函數(shù)制作的，在這種情況下，上述校正值被轉(zhuǎn)儲(chǔ)在數(shù)字邏輯運(yùn)算單元的永久性存儲(chǔ)器中。
因此，根據(jù)本發(fā)明的濕度傳感器始終是在它交付使用之前根據(jù)一種通常所采用的方法加以校正。尤其是這使得一個(gè)濕度傳感器可以在它出故障后或磨損后用一個(gè)同樣類(lèi)型的濕度傳感器替換而無(wú)須重新校正或重新設(shè)定整個(gè)系統(tǒng)。此外，由于校正可以在可再現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的，所以這還可以提高測(cè)量精度。
本發(fā)明所述方法的另一種理想的構(gòu)成在于可以按照第一和第二溫度傳感器之間的溫度差的函數(shù)來(lái)控制加熱過(guò)程。特別是加熱可以使第一和第二溫度傳感器之間溫度差始終保持恒定。這就產(chǎn)生了在殼體內(nèi)，尤其是在電容測(cè)量電路上，溫度按線性曲線關(guān)系上升這樣一種情況。反過(guò)來(lái)這又帶來(lái)這樣一種優(yōu)點(diǎn)，即由于線性溫度上升意味著不必考慮采樣值中的不一致變化，所以可以按照相同的時(shí)基對(duì)校正表的值進(jìn)行取樣。
本發(fā)明的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)附圖中所示出的說(shuō)明示例加以更詳細(xì)的說(shuō)明。在這些附圖中，

圖1是在濕度傳感器上帶有蒸汽沉積金屬涂層的封口板的平面圖；圖2是帶有法蘭的濕度傳感器的透視圖；圖3是安裝在一個(gè)添加劑筒體下、帶有一個(gè)濕度傳感器的導(dǎo)流板的示意圖；圖4是分布在該導(dǎo)流板上的若干個(gè)濕度傳感器的示意圖，這些濕度傳感器借助于公共總線與中心分析器相連；圖5是一個(gè)濕度傳感器的運(yùn)算邏輯單元的流程圖；以及圖6是穿過(guò)一個(gè)濕度傳感器的一個(gè)校正裝置的剖視圖。
圖1示出了一個(gè)濕度傳感器的封口板1的平面圖。封口板1由氧化鋁瓷構(gòu)成并規(guī)定為圓形。金屬涂層2用蒸汽沉積法同心地沉積在封口板背向材料或疏松產(chǎn)品的一側(cè)上。在這種情況下，金屬涂層2構(gòu)成了電容器的一個(gè)極，而另一個(gè)極是由周?chē)鷼んw或安裝在封口板1的平面上的導(dǎo)流板構(gòu)成。通過(guò)實(shí)驗(yàn)業(yè)已發(fā)現(xiàn)，封口板1的厚度必須比金屬涂層2的外緣和封口板1的外緣之間的距離d小得多得多。
圖2示出了濕度傳感器6的透視圖。濕度傳感器6的殼體3用法蘭盤(pán)4固定，法蘭盤(pán)4例如可以相對(duì)于導(dǎo)流板用螺栓固定。在法蘭盤(pán)4的上方有一個(gè)圓筒壯延伸部分7，其端部用圖1所示的封口板1封閉。封口板1加有金屬涂層2的一側(cè)面向殼體3的內(nèi)部。在法蘭盤(pán)的下方設(shè)置有一個(gè)電纜入口5。殼體3、法蘭盤(pán)4和圓筒形延伸部分7都是用不銹鋼制成的。
圖3示出了濕度傳感器6在導(dǎo)流板10上的安裝。導(dǎo)流板10被安裝在添加劑筒體12的流出口的下方。添加劑筒體12的流出口可以用一個(gè)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的擋板13打開(kāi)或閉合，該擋板可以借助于一個(gè)液壓傳動(dòng)汽缸14自動(dòng)進(jìn)行操作。由添加劑筒體的開(kāi)口涌出的疏松產(chǎn)品15沖擊導(dǎo)流板10并被后者在傳感器6的方向上反射。反射引起了在導(dǎo)流板10上形成密度和速度可以再現(xiàn)的滑動(dòng)產(chǎn)品流體16。濕度傳感器6被安裝得使封口板被裝在導(dǎo)流板的平面上，結(jié)果，由濕度傳感器6產(chǎn)生的雜散電場(chǎng)11可以穿透滑動(dòng)產(chǎn)品流體16。借助于這種設(shè)置，可以確定在疏松產(chǎn)品中占優(yōu)勢(shì)的容積濕度。此外，由于在滑動(dòng)產(chǎn)品流體16中材料密度大致是恒定的，所以測(cè)得的容積濕度與單位重量的疏松產(chǎn)品的濕度成正比。相應(yīng)測(cè)得的單位重量的濕度現(xiàn)在可以用于計(jì)算添加劑和水之間的濕度修正。這種修正是在一個(gè)稱(chēng)重容器完成的一這里不對(duì)該容器作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明一疏松產(chǎn)品15是在箭頭17的方向傳送到該稱(chēng)重容器中的。
圖4示出了可以并行工作的和被設(shè)置在導(dǎo)流板10上的若干個(gè)濕度傳感器6的示意圖。這些濕度傳感器由公共總線20連接到中心分析器21上。被連接到濕度傳感器6的連接器插座5上的連接電纜22由每一個(gè)濕度傳感器6通向總線20。為了使導(dǎo)線負(fù)荷保持盡可能低，在總線上運(yùn)行的是串形數(shù)據(jù)傳輸。為此，在總線20中和在連接電纜22中需要兩條數(shù)據(jù)線，此外，濕度傳感器6還由兩條附加導(dǎo)線供給電源。
為了完成一次測(cè)量，中心分析器21將一個(gè)起始指令傳輸給相應(yīng)的濕度傳感器6，為該濕度傳感器指定相應(yīng)的地址。其次，設(shè)置在濕度傳感器中的運(yùn)算邏輯單元開(kāi)始測(cè)量，隨后將幾個(gè)測(cè)量值對(duì)時(shí)間取平均。一旦測(cè)量完成，就將計(jì)算出的濕度值作為結(jié)果傳輸給中心分析器21。除去濕度值之外，自然還可以傳輸已在傳感器處理過(guò)的其他數(shù)據(jù)，例如，溫度、平均值、故障信息或測(cè)量狀態(tài)。此外，由中心分析器發(fā)出的起始指令還可能含有進(jìn)一步的信息，使得也可以按照參數(shù)化形式完成測(cè)量圖5示出了運(yùn)算邏輯單元的流程圖和與其連接的濕度傳感器的構(gòu)成部件。雜散場(chǎng)電容器27是由在殼體側(cè)的電極28和在傳感器側(cè)的電極29構(gòu)成。殼體側(cè)電極28是由殼體3和連接于其上的導(dǎo)流板10構(gòu)成，并且電氣接地。
傳感器側(cè)的電極29與蒸汽沉積的金屬涂層2相連。在把一個(gè)電壓加在電極28和29之間時(shí)，就建立起一個(gè)雜散場(chǎng)電容器27的雜散電場(chǎng)，在這種情況下，根據(jù)滑動(dòng)產(chǎn)品流體16的濕度變化利用電容測(cè)量電路30分析雜散場(chǎng)電容器27的電容量變化。與雜散場(chǎng)電容器27并聯(lián)一個(gè)由一個(gè)線圈和另外一個(gè)電容器構(gòu)成的振蕩電路32。振蕩電路32由放大器33去衰減并且在它的兆赫級(jí)的共振頻率下振蕩。在這種情況下，幅值穩(wěn)定器31保持雜散場(chǎng)電容器27上的電壓穩(wěn)定。這首先保證了放大器33不被超調(diào)，還保證了疏松產(chǎn)品的各種導(dǎo)電性的影響能有效地得以抑制。這可以用以下事實(shí)加以說(shuō)明，即從電學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看疏松產(chǎn)品的導(dǎo)電率顯示出有一個(gè)有源電阻與雜散場(chǎng)電容器27并聯(lián)，如果加到雜散場(chǎng)電容器27上的電壓由幅值穩(wěn)定器31保持恒定，那么該有源電阻的阻值變化是微不足道的。從放大器發(fā)出的輸出信號(hào)被饋送給同步計(jì)數(shù)器34。為了控制完整的分析過(guò)程，設(shè)定了一個(gè)微控制器36，可以經(jīng)由多路轉(zhuǎn)換器40、和A/D轉(zhuǎn)換器43將若干個(gè)測(cè)量信號(hào)饋送給該微控制器。此外，微控制器36具有與接口模塊44相連的接口，所述的接口模塊44可以與連接電纜22相連。在該微控制器的總線35上，同步計(jì)數(shù)器34和EPROM37相連接。
初始溫度傳感器38、第二溫度傳感器39、參比電壓源41的測(cè)量信號(hào)和其他一些測(cè)量信號(hào)42構(gòu)成了多路轉(zhuǎn)換器40的輸入信號(hào)。
第一溫度傳感器38測(cè)量電容測(cè)量電路30上的溫度，在這種情況下，該電容測(cè)量電路成為一個(gè)混合電路。使用了氧化鋁作為混合變換電路的基底的材料，這種材料的有效的熱導(dǎo)率保證第一溫度傳感器38的可靠的溫度測(cè)量。第二溫度傳感器被連接到封口板1上并測(cè)量封口板的溫度和該封口板上的滑動(dòng)疏松產(chǎn)品的溫度。借助于連接裝置42，另外一些測(cè)量信號(hào)，例如，疏松產(chǎn)品與濕度相關(guān)的密度，可以經(jīng)由連接裝置42被讀入。多路轉(zhuǎn)換器40借助于微控制器36循環(huán)并且將多路信號(hào)饋送給A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出值由微控制器36讀入。
在微控制器36經(jīng)由連接電纜22從中心分析器21接收一次測(cè)量順序的開(kāi)始指令時(shí)，同步計(jì)數(shù)器34的計(jì)數(shù)狀態(tài)經(jīng)總線35設(shè)定為零。而后，放大器33的循環(huán)信號(hào)啟動(dòng)同步計(jì)數(shù)器34，在這種情況下，同步計(jì)數(shù)器34的計(jì)數(shù)狀態(tài)指示出在給定周期范圍內(nèi)振蕩電路32的諧振振蕩數(shù)。在借助于安裝在微控制器36中的計(jì)時(shí)器確定的預(yù)定時(shí)間之后同步計(jì)數(shù)器34由微控制器36經(jīng)由總線35讀出。根據(jù)計(jì)數(shù)狀態(tài)和已逝去的時(shí)間，可以確定作為雜散場(chǎng)電容器27的電容變化的指數(shù)的振蕩電路32的頻率。而后，計(jì)算出的頻率與經(jīng)由多路轉(zhuǎn)換器40讀入的若干測(cè)量信號(hào)一起提供了校正表的輸入?yún)?shù)的基礎(chǔ)，該校正表預(yù)先業(yè)已由微控制器從外部EPROM37中裝載在微控制器的工作存儲(chǔ)器中。該校正表的輸出值是一個(gè)特定的濕度值，該值作為結(jié)果可以經(jīng)由接口模塊44和連接電纜22由微控制器36進(jìn)而傳送給中心分析器21。在測(cè)量值被傳送給中心分析器21之前，也可以完成對(duì)若干測(cè)量值的取平均。
圖6示出了通過(guò)一個(gè)濕度傳感器的校正裝置的剖視圖，該裝置是用于制作存儲(chǔ)在EPROM37中的校正表的。為此，濕度傳感器6在它投入使用之前借助于快速裝配卡60安裝在金屬涂層61上。。濕度傳感器的封口板1處在具有已知介電性能的材料樣品上。在材料樣品的介電性能已知的情況下校正表可以根據(jù)到達(dá)多路轉(zhuǎn)換器40的測(cè)量信號(hào)制備。為此，永久地安裝在金屬殼體上的濕度傳感器起初要冷卻到最低允許操作溫度，例如冷卻到-10℃。接下去把濕度傳感器加熱到最高允許操作溫度，例如80℃。進(jìn)行加熱是借助于被置于材料樣品62下面的加熱板63。在通過(guò)這一溫度范圍時(shí)，在振蕩電路32的給定頻率下給定濕度的校正值作為第一溫度傳感器38、第二溫度傳感器39的測(cè)量信號(hào)和其他測(cè)量信號(hào)的函數(shù)被存儲(chǔ)。將這樣制作的校正表連同微控制器的控制程序一起存儲(chǔ)在EPROM37中，EPROM的內(nèi)容在微控制器被啟動(dòng)后被存儲(chǔ)到微控制器的工作存儲(chǔ)器中。
如果加熱電路63在加熱過(guò)程中持續(xù)地在最大輸出狀態(tài)下工作，那么在濕度傳感器6內(nèi)部的溫度將按照指數(shù)規(guī)律上升并將按照一種連續(xù)下降速率接近極限值。這種形式的溫度升高的缺點(diǎn)在于在溫度升高的初始階段由于變化速度極快必須快速傳遞測(cè)量值，而趨近測(cè)量過(guò)程終點(diǎn)時(shí)測(cè)量值變化的非常慢，因此，按照所述采樣速率就記錄了大量不必要的測(cè)量點(diǎn)。對(duì)于這種場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，為所述加熱電路配置能保證第一和第二溫度傳感器之間的溫差保持恒定的附加控制裝置可能具有特殊的優(yōu)點(diǎn)。由于第一溫度傳感器被置于濕度傳感器6的殼體3內(nèi)部，而第二溫度傳感器被安裝在殼體本身之上，兩個(gè)溫度傳感器之間的恒定的溫差保證了從殼體的外部向其內(nèi)部傳遞的恒定的熱通量。這在殼體內(nèi)部產(chǎn)生了大致恒定的溫升，這使得校正值的拾取得到基本改善。
權(quán)利要求
1.一種濕度傳感器，用于對(duì)含在材料一主要是疏松產(chǎn)品一中的水分進(jìn)行電容法測(cè)量，該濕度傳感器包括一個(gè)殼體，該殼體具有一個(gè)不導(dǎo)電的封口板，其外側(cè)朝向所述材料或疏松產(chǎn)品，或所述材料或疏松產(chǎn)品從其上方移過(guò)；以及一個(gè)雜散場(chǎng)電容器，該雜散場(chǎng)電容器設(shè)置在一個(gè)殼體中，用于產(chǎn)生一個(gè)雜散電場(chǎng)，該雜散電場(chǎng)的場(chǎng)電力線穿透所述封口板和所述材料或疏松產(chǎn)品，其特征在于所述雜散場(chǎng)電容器至少有一個(gè)電極作為一個(gè)導(dǎo)電層附著在所述封口板背離所述材料或疏松產(chǎn)品的那一側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕度傳感器，其特征在于所述封口板是耐磨陶瓷片，主要是由氧化鋁構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的濕度傳感器，其特征在于所述導(dǎo)電層由蒸汽沉積在所述封口板上的金屬構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的濕度傳感器，其特征在于所述雜散場(chǎng)電容器的第二極連接所述殼體電位和/或連接所述殼體的框架電位，在這種情況下，所述殼體或所述殼體的框架的尺寸要確定得使由導(dǎo)電層構(gòu)成的電極可以用作電極點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的濕度傳感器，其特征在于所述雜散場(chǎng)電容器的兩極由導(dǎo)電層構(gòu)成，在這種情況下，將所述兩極設(shè)置得彼此相關(guān)成梳形或條形分布。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的濕度傳感器，其特征在于所述殼體用不銹鋼制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的濕度傳感器，其特征在于所述殼體具有一個(gè)圓筒形延伸部分，其端部用所述封口板封閉，并且保持該部分處于法蘭之前。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的濕度傳感器，其特征在于所述法蘭的構(gòu)形為一個(gè)夾持環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的濕度傳感器，其特征在于所述封口板被裝在疏松產(chǎn)品從其上流過(guò)的導(dǎo)流板的平面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕度傳感器，其特征在于所述濕度傳感器具有一個(gè)電容測(cè)量電路，該電路提供一個(gè)作為所述雜散場(chǎng)電容器的電容量的函數(shù)的測(cè)量信號(hào)，一個(gè)數(shù)字運(yùn)算邏輯單元被設(shè)置在所述殼體內(nèi)并具有一個(gè)存儲(chǔ)在數(shù)字存儲(chǔ)器中的校正表，該校正表用于確定作為電容測(cè)量電路測(cè)量信號(hào)和作用于所述濕度傳感器的擾動(dòng)變量的函數(shù)的濕度值。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的濕度傳感器，其特征在于可以利用一個(gè)初始溫度傳感器測(cè)量電容測(cè)量電路的現(xiàn)行溫度，在這種情況下，所述電容測(cè)量電路的溫度是所述校正表的另一個(gè)輸入?yún)?shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的濕度傳感器，其特征在于所述電容測(cè)量電路被安裝在一個(gè)具有一個(gè)高導(dǎo)熱性能的混合變換電路基底上，還在于所述第一溫度傳感器測(cè)量該基底的溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12所述的濕度傳感器，其特征在于所述可以用一個(gè)第二溫度傳感器測(cè)量所述封口板的現(xiàn)行溫度，在這種情況下，所述封口板的溫度是所述校正表的另一個(gè)輸入?yún)?shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13所述的濕度傳感器，其特征在于所述材料的或所述疏松產(chǎn)品的與濕度相關(guān)的密度可以在測(cè)量過(guò)程之前測(cè)量一次或在測(cè)量過(guò)程中連續(xù)測(cè)量，在這種情況下，所述材料的或所述疏松產(chǎn)品的與濕度相關(guān)的密度是所述校正表的另一個(gè)輸入?yún)?shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14所述的濕度傳感器，其特征在于所述運(yùn)算邏輯單元經(jīng)由總線與一個(gè)中心分析器相連，該中心分析器發(fā)出開(kāi)始命令給所述運(yùn)算邏輯單元并調(diào)出已確定的濕度值。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的濕度傳感器，其特征在于所述中心分析器經(jīng)由總線與若干個(gè)濕度傳感器的運(yùn)算邏輯單元相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的濕度傳感器，其特征在于所述電容測(cè)量電路具有一個(gè)幅值穩(wěn)定器，使得所述雜散場(chǎng)電容器上的電壓始終保持穩(wěn)定。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的濕度傳感器，其特征在于所述電容測(cè)量電路是一個(gè)其頻率為所述雜散場(chǎng)電容器的電容量的指數(shù)的振蕩電路。
19.一種在投入使用前校正根據(jù)權(quán)利要求10至17所述的濕度傳感器的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟a)將已知介電特性的材料樣品安放在該濕度傳感器的封口板的上游；b)將所述濕度傳感器冷卻到最低允許操作溫度；c)在達(dá)到所述最低允許操作溫度后，將所述溫度傳感器加熱到最高允許操作溫度；以及d)在加熱過(guò)程中，一個(gè)校正表作為所述電容測(cè)量電路的和/或所述第一溫度傳感器的和/或所述第二溫度傳感器的測(cè)量信號(hào)的和/或另外一些輸入?yún)?shù)的函數(shù)被建立起來(lái)并存儲(chǔ)到所述數(shù)字運(yùn)算邏輯單元的非易失存儲(chǔ)器中。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于按照所述第一和第二溫度傳感器之間的溫差的函數(shù)控制所述加熱過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對(duì)材料主要是疏松材料中所含的濕度進(jìn)行電容性測(cè)量的濕度傳感器。為了使一系列濕度傳感器并聯(lián)運(yùn)行,每個(gè)單獨(dú)的濕度傳感器不得不滿足有關(guān)精度、靈敏度和替換性的極高的要求。根據(jù)本發(fā)明的濕度傳感器滿足這些要求,即配置在該濕度傳感器中的雜散場(chǎng)電容器的至少一極被作為導(dǎo)電層加在該濕度傳感器的殼體的封口板的背向所述材料或疏松材料的那一側(cè)上。此外,在所屬殼體中還設(shè)置了一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)字運(yùn)算邏輯單元,該數(shù)字?jǐn)?shù)字運(yùn)算邏輯單元具有一個(gè)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)器中的、用于確定濕度值和影響該濕度傳感器的干擾值的校正表,該濕度值作為測(cè)量雜散場(chǎng)電容器的電容量的電容測(cè)量電路中的測(cè)量信號(hào)的函數(shù)。精度的進(jìn)一步提高最終是依靠所述電容測(cè)量電路具有一個(gè)幅值穩(wěn)定器,使得雜散場(chǎng)電容器上的電壓始終保持穩(wěn)定。
文檔編號(hào)G01N27/22GK1185835SQ97190256
公開(kāi)日1998年6月24日 申請(qǐng)日期1997年1月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月6日
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