DE102014211934A1

DE102014211934A1 - Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102014211934A1
Application number: DE102014211934.0A
Authority: DE
Inventors: Metin Guerer; Karl Wenzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2015-12-24
Also published as: US20150369766A1; CN105319240A

Abstract

Es wird eine Sensorvorrichtung (10) zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums vorgeschlagen, die mindestens ein Gehäuse (12), das einen Messraum (14) aufweist, und mindestens ein Feuchtemodul (16), das mindestens ein Sensorelement (18) zur Erfassung der Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum (14) und einen ersten Temperaturfühler (20) zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum (14) aufweist, umfasst. Das Feuchtemodul (16) ist zumindest teilweise in dem Messraum (14) des Gehäuses (12) angeordnet. Die Sensorvorrichtung (10) weist weiterhin eine Auswerteeinheit (24) auf. Die Auswerteeinheit (24) ist zum Ausgeben eines ersten Temperatursignals, das die Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum (14) anzeigt, und zum Ausgeben eines Feuchtesignals, das die Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum (14) anzeigt, ausgebildet. Die Auswerteeinheit (24) ist zum Korrigieren des Feuchtesignals mittels eines zweiten Temperatursignals, das eine Temperatur des fluiden Mediums in einem zumindest von der Auswerteeinheit (24) thermisch entkoppelten Bereich der Sensorvorrichtung (10) anzeigt, ausgebildet.
Es wird weiterhin ein Verfahren zum Korrigieren eines Feuchtesignals einer Sensorvorrichtung (10) zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Eigenschaften fluider Medien, also von Flüssigkeiten oder Gasen, bekannt. Bei den Eigenschaften kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalisch und/oder chemisch messbare Eigenschaften handeln, welche das fluide Medium qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um die relative oder absolute Feuchte eines Gases oder Gasgemisches handeln. Feuchtesensoren gelangen bekanntermaßen im Ansaugtrakt oder Abgastrakt von Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz. Hierbei ist es beispielsweise zur Regelung der Verbrennungseffizienz, insbesondere für eine rückstandslose und saubere Verbrennung, wichtig, unter anderem die Feuchte der zugeführten Frischluft zu ermitteln, um beispielsweise das entsprechend gewünschte Mischverhältnis zwischen Frischluft und rückgeführtem Abgas einstellen zu können und anschließend eine benötigte Menge Treibstoff für eine vorbestimmte Vermischung im Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zu bestimmen. Die Information über die Feuchte der zugeführten Umgebungsluft sowie des Abgases wird vom Motorsteuergerät für eine Vielzahl an geregelten Prozessen verwendet.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorvorrichtungen zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist die relative Luftfeuchtigkeit abhängig von der Umgebungstemperatur. Steigt die Umgebungstemperatur, ohne dass Feuchtigkeit hinzugefügt oder entfernt wird, sinkt die gemessene relative Feuchte und umgekehrt. Bei den bekannten Sensorvorrichtungen ist das Sensorelement zur Erfassung der Feuchte von der Elektronik der Sensorvorrichtung nicht unbedingt thermisch entkoppelt. Daher kann es in einigen Fällen dazu kommen, dass, bedingt durch die Eigenerwärmung der Elektronik, Wärme an das Sensorelement gelangt und so dessen Messwert verfälscht. Eine mechanische Entkopplung ist jedoch nur dort möglich, wo auch Platz vorhanden ist. Muss der Aufbau der Sensorvorrichtung auf geringstem Raum erfolgen, wie sie beispielsweise in Heißfilmluftmassenmessern herrschen, ist eine mechanische Entkopplung normalerweise nicht möglich. Die Folge ist dann ein verfälschtes Luftfeuchtesignal.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensorvorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden kann und bei der insbesondere die Messgenauigkeit der relativen Feuchte verbessert ist.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums umfasst mindestens ein Gehäuse, das einen Messraum aufweist. Unter einem Gehäuse ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Vorrichtung zu verstehen, welche mindestens einen Innenraum umschließt und welche eine Schutzfunktion für eine oder mehrere Komponenten der Sensorvorrichtung ausübt, die in dem mindestens einen Innenraum aufgenommen sind. Insbesondere kann das Gehäuse eingerichtet sein, um eine mechanische Schutzfunktion bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich können auch beispielsweise Schutzfunktionen gegenüber Feuchtigkeit, mechanischen Belastungen beim Verbau der Sensorvorrichtung, thermische Schutzfunktionen oder andere Schutzfunktionen oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Schutzfunktionen gegeben sein. Vorzugsweise kann das Gehäuse eingerichtet sein, eine Schutzwirkung zumindest gegenüber mechanischen Belastungen zu gewährleisten. Beispielsweise kann das Gehäuse zumindest teilweise aus einem steifen Material hergestellt werden, welches beispielsweise bei einem Fixieren des Gehäuses in einem Strömungsraum eines fluiden Mediums bei üblichen Kräften, beispielsweise bei üblichen Verschraubungskräften, keine Verformung durchläuft. Das Gehäuse kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem metallischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein.
Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens ein Feuchtemodul, das mindestens ein Sensorelement zur Erfassung der Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum und einen ersten Temperaturfühler zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum aufweist. Das Feuchtemodul ist dabei zumindest teilweise in dem Messraum des Gehäuses angeordnet.
Unter einem Sensorelement zur Erfassung der Feuchte des fluiden Mediums ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das geeignet ist, die Feuchtigkeit eines fluiden Mediums und bevorzugt von Gasen zu bestimmen. Feuchtigkeit oder kurz Feuchte ist der Anteil des Wasserdampfs im Fluidgemisch und insbesondere Gasgemisch in einem bestimmten Volumen, wie beispielsweise einem Raum. Die Feuchtigkeit oder Feuchte kann dabei als relative Luftfeuchtigkeit, angegeben in Prozent, erfasst werden. Sie gibt für die aktuelle Temperatur und den aktuellen Druck das Verhältnis des momentanen Wasserdampfgehalts zum maximal möglichen Wasserdampfgehalt des Fluidgemischs an. Alternativ kann die Feuchtigkeit als absolute Feuchtigkeit erfasst werden. Sie ist die Masse des Wasserdampfs in einem bestimmten Volumen, also dessen Dichte bzw. Konzentration. Üblich sind auch die Begriffe spezifische Feuchte und Mischungsverhältnis. Hier wird die Masse der Feuchte im Verhältnis zur Gesamtmasse bzw. in Relation zur Masse der trockenen Luft angegeben. Die Darstellung erfolgt meistens in [g/kg]. Die zur Erfassung der Feuchte verwendeten Messprinzipien sind beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.), Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe, 2010, Seiten 98–100 beschreiben.
Die Sensorvorrichtung weist weiterhin eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist zum Ausgeben eines ersten Temperatursignals, das die Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum anzeigt, und zum Ausgeben eines Feuchtesignals, das die Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum anzeigt, ausgebildet. Die Auswerteeinheit ist weiter zum Korrigieren des Feuchtesignals mittels eines zweiten Temperatursignals, das eine Temperatur des fluiden Mediums in einem zumindest von der Auswerteeinheit thermisch entkoppelten Bereich der Sensorvorrichtung anzeigt, ausgebildet.
Unter einer Auswerteeinheit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine bevorzugt elektronische Steuervorrichtung, insbesondere eine Steuerelektronik und/oder Auswerteelektronik der Sensorvorrichtung, zu verstehen oder ein Teil einer derartigen Steuerelektronik und/oder Auswerteelektronik. Die Steuerelektronik und/oder Auswerteelektronik kann allgemein eingerichtet sein, mindestens eine Funktion der Sensorvorrichtung anzusteuern und/oder mindestens ein von der Sensorvorrichtung generiertes Signal zu erfassen und zu verarbeiten, insbesondere im Hinblick auf die Gewinnung einer Information über die Feuchte des fluiden Mediums auszuwerten. Diese Auswertung kann weiter im Rahmen einer Signalaufbereitung und teilweisen Vorauswertung sein oder aber eine vollständige Auswertung umfassen.
Unter einem von der Auswerteeinheit thermisch entkoppelten Bereich der Sensorvorrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bereich innerhalb der Sensorvorrichtung zu verstehen, der keiner oder nur einer unwesentlichen Erwärmung durch elektronische oder elektrische Bauteile der Sensorvorrichtung unterliegt.
Die Auswerteeinheit ist insbesondere zum Korrigieren des relativen Feuchtesignals mittels einer Differenz zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal ausgebildet. Beispielsweise wird das zweite Temperatursignal von dem ersten Temperatursignal subtrahiert. Die so ermittelte Differenz kann zum Ermitteln eines korrigierten Sättigungsdampfdrucks des fluiden Mediums in dem Messraum verwendet werden.
Unter dem Sättigungsdampfdruck ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Druck eines fluiden Mediums zu verstehen, bei dem sich der gasförmige Aggregatszustand mit dem flüssigen oder festen Aggregatszustand in einem Gleichgewicht befindet. Der Sättigungsdampfdruck ist von der Temperatur abhängig. In dem Gleichgewichtszustand ist die Verdampfung bzw. die Sublimation der Flüssigkeit bzw. des Feststoffs mengenmäßig gleich der Kondensation bzw. Resublimation des Gases.
Die Auswerteeinheit ist weiterhin zum Korrigieren des Feuchtesignals mittels des korrigierten Sättigungsdampfdrucks ausgebildet.
Die Sensorvorrichtung kann weiterhin einen zweiten Temperaturfühler zum Ermitteln des zweiten Temperatursignals umfassen. Alternativ kann die Auswerteeinheit einen Speicher aufweisen, aus dem das zweite Temperatursignal abrufbar ist. Das zweite Temperatursignal ist dabei insbesondere von Betriebsbedingungen der Sensorvorrichtung abhängig.
Es wird weiterhin ein Verfahren zum Korrigieren eines Feuchtesignals einer Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung weist mindestens ein Feuchtemodul auf. Das Feuchtemodul weist mindestens ein Sensorelement zur Erfassung der Feuchte des fluiden Mediums in einem Messraum und einen ersten Temperaturfühler zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Ermitteln eines ersten Temperatursignals, das die Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum anzeigt,
– Ermitteln eines Feuchtesignals, das die Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum anzeigt,
– Korrigieren des Feuchtesignals mittels eines zweiten Temperatursignals, das eine Temperatur des fluiden Mediums in einem thermisch entkoppelten Bereich der Sensorvorrichtung anzeigt.

Das Feuchtesignal kann mittels einer Differenz zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal korrigiert werden. Beispielsweise wird das zweite Temperatursignal von dem ersten Temperatursignal subtrahiert. Mittels der Differenz kann ein korrigierter Sättigungsdampfdruck des fluiden Mediums in dem Messraum ermittelt werden. Das Feuchtesignal kann mittels des korrigierten Sättigungsdampfdrucks korrigiert werden. Das zweite Temperatursignal kann von einem zweiten Temperaturfühler ermittelt werden. Alternativ ist das zweite Temperatursignal ein empirisch ermitteltes Signal.
Unter einem empirisch ermittelten Signal ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Signal zu verstehen, das anhand von Laborversuchen unter verschiedenen Bedingungen ermittelt wird und in einem Speicher einer Auswerteeinheit gespeichert wird. Das so ermittelte Signal kennzeichnet dabei eine Eigenerwärmung der Elektronik der Sensorvorrichtung. Beispielsweise wird der Wert des zweiten Temperatursignals kontinuierlich ausgewertet. Im Betrieb der Sensorvorrichtung berechnet dann eine Mikrosteuerung aus dem aktuell gemessenen Feuchtesignal und dem aktuell gemessenen Temperatursignal bzw. -signalen eine kompensierte Luftfeuchte und ein kompensiertes Temperatursignal. Hierbei wird vom Temperatursignal der zweite Temperaturwert oder der empirisch ermittelte Wert abgezogen. Dabei entsteht ein zusätzliches Temperatursignal. Für beide Temperatursignale wird der Sättigungsdampfdruck berechnet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich der Sättigungsdampfdruck nicht ändert und die Messung annähernd auf Meereshöhe stattfindet. Kann noch zusätzlich auf ein Luftmassensignal zugegriffen werden, so wird dieses Signal zusätzlich zur Berechnung der Eigenerwärmung der Sensorvorrichtung hinzugezogen, um ein noch genaueres Ergebnis zu erhalten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt ist.
Es zeigt:
1 eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer Sensorvorrichtung zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer Sensorvorrichtung 10 zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums. Die Sensorvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf. In dem Gehäuse 12 ist ein Messraum 14 ausgebildet. Die Sensorvorrichtung 10 weist weiterhin ein Feuchtemodul 16 auf. Das Feuchtemodul 16 weist mindestens ein Sensorelement 18 zur Erfassung der Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum 14 auf. Das Feuchtemodul 16 weist weiterhin einen ersten Temperaturfühler 20 zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum 14 auf.
Das Gehäuse 12 weist weiterhin einen Elektronikraum 22 auf. In dem Elektronikraum 22 ist eine Auswerteeinheit 24 angeordnet. Das Feuchtemodul 16 ist zumindest teilweise in dem Elektronikraum 22 wie auch mit dem Sensorelement 18 in dem Messraum 14 angeordnet.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die Sensorvorrichtung 10 weiterhin einen zweiten Temperaturfühler 26 auf. Der Temperaturfühler 26 ist in einem Bereich 28 der Sensorvorrichtung 10 angeordnet, der zumindest von der Auswerteeinheit 24 thermisch entkoppelt ist. Unter einem thermisch entkoppelten Bereich 28 ist dabei ein Bereich zu verstehen, der während eines Betriebs der Sensorvorrichtung 10 durch eine Eigenerwärmung der Auswerteeinheit 24 und gegebenenfalls weiterer elektronischer Bauteile der Sensorvorrichtung 10 thermisch nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird und so eine tatsächliche Temperatur des fluiden Mediums erfasst, d. h. eine Temperatur, die nicht durch von Elektronikbauteilen der Sensorvorrichtung 10 erzeugte Wärme beeinflusst wird.
Mittels des zweiten Temperatursignals korrigiert die Auswerteeinheit 24 das relative Feuchtesignal. Genauer korrigiert die Auswerteeinheit 24 das Feuchtesignal mittels einer Differenz zwischen dem ersten Temperatursignal, das von dem ersten Temperaturfühler 20 ermittelt wird, und dem zweiten Temperatursignal, das von dem zweiten Temperaturfühler 26 ermittelt wird. Insbesondere wird das zweite Temperatursignal von dem ersten Temperatursignal subtrahiert. Aus der so ermittelten Temperaturdifferenz wird ein korrigierter Sättigungsdampfdruck in dem Messraum 14 ermittelt. Die Berechnung des Sättigungsdampfdrucks kann dabei anhand der Magnus-Formel für die Ermittlung von Sättigungsdampfdruck für Wasserdampf über ebenen Wasseroberflächen erfolgen. Die Formel lautet wie folgt: E_w(t) = 6,112hPa·exp( 17,62·t / 243,12°C + t), wobei E_w der Sättigungsdampfdruck für Wasser und t die Temperatur des fluiden Mediums ist.
Mittels des korrigierten Sättigungsdampfdrucks korrigiert die Auswerteeinheit 24 das Feuchtesignal. Die korrigierte Feuchte wird dabei wie folgt ermittelt:
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, bei dem kein zweiter Temperaturfühler vorgesehen ist, beispielsweise weil dies aus räumlichen Gründen nicht möglich ist, kann die Auswerteeinheit 24 einen nicht näher gezeigten Speicher aufweisen. Um das Feuchtesignal von einer Erwärmung der Auswerteeinheit 24 und gegebenenfalls weiterer elektronischer Bauteile zu bereinigen, wird ein zweites Temperatursignal ermittelt, das nicht der Eigenerwärmung der Auswerteeinheit 24 unterliegt. Beispielsweise wird dieses Signal anhand von Laborversuchen ermittelt und gibt an, wie hoch die Eigenerwärmung der Auswerteeinheit unter verschiedenen Bedingungen ist. Die so ermittelten Werte werden in dem Speicher gespeichert. Die Korrektur der Luftfeuchte kann dann wie oben beschrieben erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.), Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe, 2010, Seiten 98–100 [0006]

Claims

Sensorvorrichtung (10) zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums, umfassend mindestens ein Gehäuse (12), das einen Messraum (14) aufweist, und mindestens ein Feuchtemodul (16), das mindestens ein Sensorelement (18) zur Erfassung der Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum (14) und einen ersten Temperaturfühler (20) zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum (14) aufweist, wobei das Feuchtemodul (16) zumindest teilweise in dem Messraum (14) des Gehäuses (12) angeordnet ist, wobei die Sensorvorrichtung (10) weiterhin eine Auswerteeinheit (24) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (24) zum Ausgeben eines ersten Temperatursignals, das die Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum (14) anzeigt, und zum Ausgeben eines Feuchtesignals, das die Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum (14) anzeigt, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (24) zum Korrigieren des Feuchtesignals mittels eines zweiten Temperatursignals, das eine Temperatur des fluiden Mediums in einem zumindest von der Auswerteeinheit (24) thermisch entkoppelten Bereich der Sensorvorrichtung (10) anzeigt, ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (24) zum Korrigieren des Feuchtesignals mittels einer Differenz zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (24) zum Ermitteln eines korrigierten Sättigungsdampfdrucks des fluiden Mediums in dem Messraum (14) mittels der Differenz ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Auswerteeinheit (24) zum Korrigieren des Feuchtesignals mittels des korrigierten Sättigungsdampfdrucks ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen zweiten Temperaturfühler (26) zum Ermitteln des zweiten Temperatursignals oder einen Speicher, aus dem das zweite Temperatursignal abrufbar ist.
Verfahren zum Korrigieren eines Feuchtesignals einer Sensorvorrichtung (10) zur Erfassung einer Feuchte eines fluiden Mediums, wobei die Sensorvorrichtung (10) mindestens ein Feuchtemodul (16) aufweist, wobei das Feuchtemodul (16) mindestens ein Sensorelement (18) zur Erfassung der Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum (14) und einen ersten Temperaturfühler (20) zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum (14) aufweist, umfassend die folgenden Schritte: – Ermitteln eines ersten Temperatursignals, das die Temperatur des fluiden Mediums in dem Messraum (14) anzeigt, – Ermitteln eines Feuchtesignals, das die Feuchte des fluiden Mediums in dem Messraum (14) anzeigt, gekennzeichnet durch – Korrigieren des Feuchtesignals mittels eines zweiten Temperatursignals, das eine Temperatur des fluiden Mediums in einem thermisch entkoppelten Bereich der Sensorvorrichtung (10) anzeigt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Feuchtesignal mittels einer Differenz zwischen dem ersten Temperatursignal und dem zweiten Temperatursignal korrigiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mittels der Differenz ein korrigierter Sättigungsdampfdruck des fluiden Mediums in dem Messraum (14) ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Feuchtesignal mittels des korrigierten Sättigungsdampfdrucks korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das zweite Temperatursignal von einem zweiten Temperaturfühler (26) ermittelt wird oder ein empirisch ermitteltes Signal ist.