DE102007002593A1

DE102007002593A1 - Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße eines Mediums

Info

Publication number: DE102007002593A1
Application number: DE200710002593
Authority: DE
Inventors: Martin Friedrich
Original assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Current assignee: Innovative Sensor Technology IST AG
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, wobei eine Widerstandsleitung (1) vorgesehen ist, wobei mindestens eine Elektrodenleitung (2) vorgesehen ist und wobei die Elektrodenleitung (2) und die Widerstandsleitung (1) derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass sich vermittels der Elektrodenleitung (2) und der Widerstandsleitung (1) ein Kondensator ergibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise um die Temperatur oder um die Feuchte. Das Medium ist eine Flüssigkeit, ein Schüttgut, ein Fluid oder ein Gas.
Bei Messgeräten für die Messung der Feuchtigkeit oder der Temperatur werden im Stand der Technik Sensoreinheiten verwendet, die durch Dünnschicht- oder Dickschichttechniken erzeugt werden. Dabei werden entweder Kondensatoren erzeugt, deren Dielektrikum auf die Feuchtigkeit reagiert oder es werden Widerstandsstrukturen auf einem Träger aufgebracht, wobei der elektrische Widerstand abhängig von der Temperatur ist. Diese Sensorelemente sind üblicherweise sehr klein dimensioniert. Zur Messung der Feuchte wird ggf. auch das Streufeld eines Kondensators verwendet (z. B. DE 102 03 816 C1 oder DE 10 2004 050 345 A1 ).
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die beiden Messprinzipien der Temperaturmessung bzw. der Feuchtemessung durch ein Sensorelement zu realisieren, wobei eine möglichst platzsparende Ausgestaltung angestrebt wird.
Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung in einer Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, wobei eine Widerstandsleitung vorgesehen ist, wobei mindestens eine Elektrodenleitung vorgesehen ist, und wobei die Elektrodenleitung und die Widerstandsleitung derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass sich vermittels der Elektrodenleitung und der Widerstandsleitung ein Kondensator ergibt. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung weist somit einen Temperatursensor und einen Feuchtesensor auf. Für die Temperaturmessung wird eine Widerstandsleitung verwendet. Gleichzeitig dient die Widerstandsleitung mit einer Elektrodenleitung auch als Kondensator, um über diesen die Feuchte zu bestimmen. Hierfür ist die Widerstandleitung entsprechend in der Nähe zur Elektrodenleitung angeordnet, beispielsweise auf einem entsprechenden Substrat aufgebracht. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ermöglicht somit die Bestimmung bzw. Überwachung von zwei Prozessgrößen. Unter Messvorrichtung oder Vorrichtung zur Bestimmung bzw. Überwachung mindestens einer Prozessgröße sei dabei sowohl ein Sensor bzw. eine Sensoreinheit, als auch ein vollständiges Messgerät verstanden, d. h. sowohl die Einheit für die eigentliche Messung, als auch das komplette Gerät, in welchem die Einheit ein Bestandteil ist. Dies jeweils in Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung. Insbesondere dient die Widerstandsleitung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur und dient der Kondensator zur Bestimmung und/oder Überwachung der Feuchtigkeit. Erfindungsgemäß ist also eine Elektrodenleitung vorgesehen und eine Widerstandsleitung dient sowohl der Temperaturmessung, als auch als zweite Elektrodenleitung für die Feuchtemessung.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine Temperaturmesseinheit vorgesehen ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass die Temperaturmesseinheit vermittels der Widerstandsleitung die Temperatur bestimmt und/oder überwacht, und dass mindestens eine Kapazitätsmesseinheit vorgesehen ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass die Kapazitätsmesseinheit die Kapazität des sich ergebenden Kondensators bestimmt und/oder überwacht. In dieser Ausgestaltung sind somit zwei elektronische Einheiten vorgesehen, welche die Temperatur- bzw. Feuchtesensoren für die jeweiligen Messungen passend ansteuern bzw. die Messwerte gewinnen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Widerstandsleitung zumindest abschnittsweise in Form einer Schleife ausgestaltet ist. In einer alternativen Ausgestaltung sind zwei einzelne, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Leitungen durch eine Querleitung miteinander verbunden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenleitung zumindest abschnittsweise im Wesentlichen mittig in der Schleife angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens zwei Widerstandsleitungen vorgesehen sind. In einer Ausgestaltung sind die beiden Leitungen im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und elektrisch miteinander kontaktiert.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenleitung zumindest abschnittsweise zwischen den zwei Widerstandsleitungen angeordnet ist.
Die Widerstandsleitung bzw. -leitungen der vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausgestaltungen sind dabei in unterschiedlicher Ausgestaltung angeordnet, z. B. als Form von im Wesentlichen gerade Leitungen oder in Mäanderformen oder in Spiralform.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens vier Widerstandsleitungen vorgesehen sind, und dass die Elektrodenleitung zumindest abschnittsweise zwischen den vier Widerstandsleitungen angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung sind somit vier Widerstandsleitungen vorgesehen, welche in einer weiteren Ausgestaltung vorzugsweise zwei Paare bilden, wobei die Elektrodenleitung überdies mittig zwischen den vier Leitungen angeordnet ist. Somit lässt sich beispielsweise eine Redundanz der Temperaturmessung erzielen bzw. in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Widerstandleitungen ergeben sich auch mit der Elektrodenleitung unterschiedliche „Kondensatoren", welche aufgrund des jeweils unterschiedlichen Abstands zwischen den Elektroden (Elektrodenleitung bzw. Widerstandsleitung) unterschiedliche Kapazitäten und somit auch unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kapazitätsmesseinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Kapazitätsmesseinheit die Feuchte des Mediums vermittels des Streufeldverfahrens über den sich ergebenden Kondensator bestimmt und/oder überwacht.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Kapazitätsmesseinheit die Elektrodenleitung oder eine Widerstandleitung mit einem elektrischen Wechselspannungsignal beaufschlagt, und dass die Kapazitätsmesseinheit von dem sich ergebenden Kondensator ein elektrisches Wechselstromsignal abgreift.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Temperaturmesseinheit derartig ausgestaltet ist, dass die Temperaturmesseinheit vermittels des elektrischen Widerstands der Widerstandsleitung die Temperatur bestimmt und/oder überwacht. Für die Messung bzw. Überwachung der Temperatur ist dafür vorzugsweise die Widerstands-Temperatur-Kennlinie der Widerstandsleitung passend hinterlegt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass mindestens eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, welche zumindest ausgehend von der Kapazität des sich ergebenden Kondensators die Feuchte des Mediums bestimmt und/oder überwacht.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenleitung und die Widerstandsleitung, die einen Kondensator bilden, zumindest teilweise von einer Schicht überdeckt sind.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Schicht zumindest teilweise aus einem feuchteabhängigen Polymer besteht. Die Schicht oberhalb des Kondensators dient teilweise auch als Dielektrikum des Kondensators. Insbesondere die Feuchteabhängigkeit erhöht die Empfindlichkeit für die Feuchte.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Elektrodenleitung und die Widerstandsleitung, die einen Kondensator bilden, zumindest teilweise von einer Deckelektrode überdeckt sind.
Eine Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Deckelektrode derartig ausgestaltet ist, dass die Deckelektrode das Feld des Kondensators beeinflusst, insbesondere abschirmt. Die Deckelektrode, welche vorzugsweise floatend gehalten, d. h. nicht mit einem elektrischen Potential verbunden wird, dient somit dem Zweck, das Streufeld des Kondensators passend zu beschränken bzw. es abzuschirmen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Deckelektrode derartig ausgestaltet ist, dass die Deckelektrode zumindest teilweise durchgängig für Wassermoleküle ist. Die Wassermoleküle können somit durch die Deckelektrode hindurch beispielsweise in die Schicht oberhalb des Kondensators eindringen.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Draufsicht auf eine schematische Anordnung zur Messung von Temperatur und Feuchte, und
2: einen Schnitt durch eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
Die 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, welche eine Kombination aus einem Temperatursensor und einem Feuchtesensor ist. Konkret handelt es sich hierbei um einen Sensor, welcher durch entsprechende Auswerte- bzw. Steuereinheiten zu einem kompletten Messgerät wird.
Eine Widerstandsleitung 1 ist hier in Form einer Schleife ausgestaltet und dient dabei als Temperatursensor, d. h. rechts und links von der Elektrodenleitung 2 befindet sich jeweils ein Teilstück der Widerstandsleitung 1. Für die Messung beaufschlagt beispielsweise die Temperaturmesseinheit 3 die Widerstandsleitung 1 mit einem Gleichspannungssignal und aus dem sich ergebenden Widerstandswert lässt sich die Temperatur berechnen, wenn die Temperaturabhängigkeit des ohmschen Widerstandes der Widerstandsleitung 1 bekannt ist. Für die Widerstandsmessung ist daher beispielsweise die Widerstandsleitung 1 mit entsprechend – hier nicht dargestellten – Anschlüssen verbunden, so dass eine Messung von Strom und Spannung möglich ist. Vorzugsweise ist auch die Verbindung mit Masse aufgehoben.
Bei der Feuchtemessung wird die Streufeldmessung angewendet. Hierfür bilden die Elektrodenleitung 2 und die Widerstandsleitung 1 einen Kondensator. Gelangt eine Flüssigkeit oder auch nur Feuchtigkeit in der Nähe dieses Messkondensators, so ändert sich dessen Kapazität. Um diese Kapazität auszumessen, beaufschlagt die Kapazitätsmesseinheit 4 diesen so gebildeten Kondensator mit einer Wechselspannung. Insbesondere wird die Elektrodenleitung 2 mit der Wechselspannung beaufschlagt, wohingegen die Widerstandleitung 1 mit Masse verbunden ist. Aus dem, vorzugsweise von der Elektrodenleitung 2 abgegriffenen Stromsignal wird – beispielsweise über einen ohmschen Widerstand – ein Spannungssignal erzeugt, aus welchem der Rückschluss auf die Feuchtigkeit möglich ist. Verrechnet man diese absolute Feuchtigkeit mit der durch die Temperaturmessung gemessenen Temperatur, so ergibt sich die relative Feuchtigkeit. Dies geschieht beispielsweise durch die Auswerteeinheit 5, welcher die Signale der Temperaturmesseinheit 3 und der Kapazitätsmesseinheit 4 zugehen. Das Streufeldverfahren nutzt insbesondere aus, dass sich nicht allein die Kapazität zwischen den Elektroden, sondern auch im äußeren Bereich, d. h. im Streufeld des Kondensators ändert. Somit ist es beispielsweise möglich, den Sensor auf der Innenseite einer Scheibe anzubringen und damit die Feuchtigkeit an der Außenseite der Scheibe zu messen.
In dieser Ausgestaltung befindet sich die Elektrodenleitung 2 zwischen einem Paar von Abschnitten der Widerstandsleitung 1. Durch die Ansteuerung der Leitungen 1, 2 bzw. durch den entsprechenden Signalabgriff dienen die Elektrodenleitung 2 und die Widerstandsleitung 1 als Kondensator. Somit dient die Widerstandsleitung 1 nicht nur der Temperaturmessung, sondern übernimmt auch die Funktion einer weiteren Elektrode für die Streufeldmessung. Der hier gezeigte symmetrische Aufbau (Temperaturmesswiderstandleitung – Elektrodenleitung – Temperaturmesswiderstandleitung; alternativ sind zwei Widerstandsleitungen vorgesehen, welche ggf. elektrisch miteinander kontaktiert sind) hat mindestens zwei Vorteile: Zum einen ergeben sich somit zwei symmetrische Kondensatoren, welche auch der Ausmessung von Störeffekten dienen. Zum anderen lassen sich so zwei Messprinzipien bei einer nur geringen Platzerhöhung sehr effektiv aneinander binden.
Für den prinzipiellen Aufbau befinden sich sowohl die Widerstandsleitung 1 als auch die Elektrodenleitung 2 vorzugsweise auf einem Substrat, welches hier nicht dargestellt ist. Die Leitungen 1, 2 sind dabei in einer Dünnschicht- oder Dickschichttechnik hergestellt.
In der hier in 1 dargestellten Variante sind sowohl die Widerstandsleitungen 1 als auch die Elektrodenleitungen 2 in Form von geraden Leitungen dargestellt. In einer weiteren Ausgestaltung sind die einzelnen Leitungen 1, 2 in einer Mäanderform auf dem Substrat aufgebracht.
In der 2 ist ein seitlicher Schnitt durch eine erfindungsgemäße Messvorrichtung dargestellt. Zu sehen ist der Träger oder das Substrat 8, auf welchem beispielsweise in einem Dünnschichtverfahren die beiden Widerstandsleitungen 1 und die Elektrodenleitung 2 aufgebracht sind. Die Elektrodenleitung 2 befindet sich dabei mittig zwischen den beiden Widerstandsleitungen 1. Die Bestimmung des elektrischen Widerstands der beiden Widerstandsleitungen 1, welche passend miteinander verbunden sind, erlaubt die Bestimmung der Temperatur. Die Kapazität des Kondensators wiederum, welcher von der Elektrodenleitung 2 und einer Widerstandsleitung 1 – bzw. durch die elektrische Verbindung der beiden Widerstandsleitungen miteinander und durch die Anordnung der drei Leitungen bedingt den beiden Widerstandsleitungen – gebildet wird, ist abhängig von der Feuchte, welche sich im Streufeld des Kondensators bzw. ggf. auch im Dielektrikum befindet. Der Abstand zwischen Elektrodenleitung und Widerstandsleitung liegt dabei beispielsweise im Bereich von wenigen Millimetern.
Oberhalb des Kondensators, der von der Elektrodenleitung 2 und einer Widerstandsleitung 1 gebildet wird und welcher entsprechend für die Bestimmung der Kapazität kontaktiert ist, befindet sich eine Schicht 6, welche beispielsweise abhängig von der Feuchtigkeit ist. Diese Schicht 6 dient somit auch als Dielektrikum für den Kondensator. Oberhalb der Schicht 6 wiederum befindet sich eine Deckelektrode 7, welche vorzugsweise flächig ausgestaltet ist und welche zumindest einen Teil des Kondensators bedeckt und somit auch dessen Streufeld beeinflusst.

1: Widerstandsleitung
2: Elektrodenleitung
3: Temperaturmesseinheit
4: Kapazitätsmesseinheit
5: Auswerteeinheit
6: Schicht
7: Deckelektrode
8: Träger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10203816 C1 [0002]
- DE 102004050345 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums, wobei eine Widerstandsleitung (1) vorgesehen ist, wobei mindestens eine Elektrodenleitung (2) vorgesehen ist, und wobei die Elektrodenleitung (2) und die Widerstandsleitung (1) derartig ausgestaltet und aufeinander abgestimmt sind, dass sich vermittels der Elektrodenleitung (2) und der Widerstandsleitung (1) ein Kondensator ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Temperaturmesseinheit (3) vorgesehen ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass die Temperaturmesseinheit (3) vermittels der Widerstandsleitung (1) die Temperatur bestimmt und/oder überwacht, und dass mindestens eine Kapazitätsmesseinheit (4) vorgesehen ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass die Kapazitätsmesseinheit (4) die Kapazität des sich ergebenden Kondensators bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsleitung (1) zumindest abschnittsweise in Form einer Schleife ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenleitung (2) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen mittig in der Schleife angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Widerstandsleitungen (1) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenleitung (2) zumindest abschnittsweise zwischen den zwei Widerstandsleitungen (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Widerstandsleitungen (1) vorgesehen sind, und dass die Elektrodenleitung (2) zumindest abschnittsweise zwischen den vier Widerstandsleitungen (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsmesseinheit (4) derartig ausgestaltet ist, dass die Kapazitätsmesseinheit (4) die Feuchte des Mediums vermittels des Streufeldverfahrens über den sich ergebenden Kondensator bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsmesseinheit (4) die Elektrodenleitung (2) oder eine Widerstandleitung (1) mit einem elektrischen Wechselspannungsignal beaufschlagt, und dass die Kapazitätsmesseinheit (4) von dem sich ergebenden Kondensator ein elektrisches Wechselstromsignal abgreift.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinheit (3) derartig ausgestaltet ist, dass die Temperaturmesseinheit (3) vermittels des elektrischen Widerstands der Widerstandsleitung (1) die Temperatur bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Auswerteeinheit (5) vorgesehen ist, welche zumindest ausgehend von der Kapazität des sich ergebenden Kondensators die Feuchte des Mediums bestimmt und/oder überwacht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenleitung (2) und die Widerstandsleitung (1), die einen Kondensator bilden, zumindest teilweise von einer Schicht (6) überdeckt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) zumindest teilweise aus einem feuchteabhängigen Polymer besteht.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenleitung (2) und die Widerstandsleitung (1), die einen Kondensator bilden, zumindest teilweise von einer Deckelektrode (7) überdeckt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelektrode (7) derartig ausgestaltet ist, dass die Deckelektrode (7) das Feld des Kondensators beeinflusst, insbesondere abschirmt.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelektrode (7) derartig ausgestaltet ist, dass die Deckelektrode (7) zumindest teilweise durchgängig für Wassermoleküle ist.