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WO2001011347A2 - Humidity sensor - Google Patents

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WO2001011347A2
WO2001011347A2 PCT/EP2000/007804 EP0007804W WO0111347A2 WO 2001011347 A2 WO2001011347 A2 WO 2001011347A2 EP 0007804 W EP0007804 W EP 0007804W WO 0111347 A2 WO0111347 A2 WO 0111347A2
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WO
WIPO (PCT)
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gas atmosphere
semiconductor sensor
cooling
temperature
sensor
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2000/007804
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German (de)
French (fr)
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WO2001011347A3 (en
Inventor
Manfred Greschitz
Klaus Gruber
Franz Helminger
Franz Wolf
Paul-Werner Von Basse
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of WO2001011347A2 publication Critical patent/WO2001011347A2/en
Publication of WO2001011347A3 publication Critical patent/WO2001011347A3/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the amount of at least one portion of a vaporous substance present in a given gas atmosphere, in particular the air humidity.
  • Dew point hygrometer, psychrometer, absorption hygrometer and hair hygrometer are known, the basic functioning of which is shown, for example, in Kohlrausch, Textbook of Practical Physics, 12th edition 1914, p. 188 ff.
  • the following features are provided in the device according to the invention: a semiconductor sensor with a capacitively sensitive surface that can be exposed to the gas atmosphere, an actuatable cooling device for cooling the semiconductor sensor, a cooling temperature sensor for determining the instantaneous temperature of the semiconductor sensor and in particular the temperature of the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor, a processing device which is connected to the semiconductor sensor, to the cooling device and to the cooling temperature sensor and is designed in this way, that the capacity of surface areas of the capacitively sensitive surface can be determined selectively, a temperature sensor connected to the processing device for determining the temperature of the gas atmosphere, - an output device connected to the processing device for outputting information determined by the processing device.
  • Humidity in particular and the determination of the proportion of a vaporous substance in a given gas atmosphere are generally particularly easy to carry out.
  • the method according to the invention provides for the semiconductor sensor with its capacitively sensitive
  • Vapor voltage curve gives the highest possible vapor pressure, the saturation pressure P s .
  • the saturation pressure p s can be found as a function of the temperature and the total pressure of a saturated steam table or a state variable table for saturated humid air.
  • the steam is contained as saturated steam, in the unsaturated mixture as superheated steam.
  • the temperature T s at which the saturation state occurs is determined according to the invention after cooling the gas atmosphere - or a part thereof. From a steam table one takes on this temperature s T is the absolute saturation humidity x s. Then you determine the absolute humidity x s , u for the initial temperature or
  • the relative humidity ⁇ can be calculated from the degree of saturation ⁇ in accordance with the relationship given above, which in particular corrects the effect that the air in the vicinity of the cooled semiconductor sensor has compressed.
  • the saturation vapor pressure p s from the vapor pressure table is required for this purpose, namely at the temperature T u of the gas atmosphere.
  • a fan for moving the gas atmosphere can be provided in the region of the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor, which fan can be controlled in particular by the processing device.
  • a fan it is possible to produce a stationary state in the area of the semiconductor sensor, in which the amount of heat that is supplied to the semiconductor sensor by the gas atmosphere is equal to the amount of heat that flows away from it due to the evaporation of the liquid condensed on the semiconductor sensor. It is precisely in such a quasi-steady state that a precise phenomenological observation can be made to calculate the proportion of a vaporous substance in the gas atmosphere.
  • the processing device is designed such that the cooling device can be used to carry out cyclical cooling processes of the capacitively sensitive semiconductor sensor, with the method according to the invention, the repeated checking during cooling whether the capacitance changes at least on one surface area of the capacitively sensitive surface has to be carried out repeatedly in a loop. This results in repeated cooling and heating of the
  • Such a loop-like repetition of cooling and warming-up processes of the semiconductor sensor can not only be used for continuously checking the gas atmosphere for changes in the proportion of the vaporous substance. Rather, iterations that get narrower can also be carried out, preferably around the last instantaneous temperature of the semiconductor sensor, if it has been found there that liquid has condensed out on the semiconductor sensor.
  • the temperature range running through when cooling the semiconductor sensor is smaller than in the previous repetition.
  • the device according to the invention also has a pressure sensor connected to the processing device for determining the total pressure of the gas atmosphere, which is used in the method according to the invention for more precise determination of the proportion of the vaporous substance in the gas atmosphere.
  • the dielectric constant is present in the area of the surface area in question
  • the dielectric constant of the substance can also be used to determine which substance or which mixture of substances has condensed on the semiconductor sensor.
  • the proportions of several vaporous substances in a given gas atmosphere can advantageously be determined with a single measurement.
  • the dielectric ratio of the condensed mixture of substances can be used to determine the proportions in which the substances are present. This also allows conclusions to be drawn about the proportions of the vaporous substances in the gas atmosphere if the corresponding state variables are available.
  • a Peltier element is advantageously used to cool the semiconductor sensor, via which the air is cooled until liquid is deposited on the semiconductor sensor.
  • the atmospheric humidity can be calculated from the air pressure and the temperature of the air.
  • Figure 1 shows a perspective view of a semiconductor sensor according to the invention
  • Figure 2 shows a schematic block diagram of a device according to the invention with the
  • FIG. 1 shows a sensor 1 for use in a device according to the invention for determining the amount of a portion of a vaporous substance present in a given gas atmosphere.
  • the sensor 1 is divided into a semiconductor sensor 2 with a substantially cuboidal outline, which has a capacitively sensitive surface 3 on its upper side.
  • a large number of connecting lines 4 are provided on one end face of the semiconductor sensor 2, via which surface areas of the capacitively sensitive surface 3 (not shown in this view) can be scanned for their capacitances.
  • the semiconductor sensor 2 is arranged on a Peltier element 5 and connected to it in a heat-conducting manner.
  • the Peltier element 5 can be supplied with energy via connecting lines 6. When the Peltier element 5 is supplied with energy, it cools down, the semiconductor sensor 2 also being cooled.
  • a cooling temperature sensor 7 is provided in the area of the semiconductor sensor 2 and the Peltier element 5, the signal of which can be tapped at a cooling temperature sensor connecting line 8. The instantaneous temperature of the semiconductor sensor 2 can be determined using the cooling temperature sensor 7.
  • Figure 2 shows a schematic block diagram of the device according to the invention, which can be used in particular for determining the air humidity.
  • the sensor 1 is part of the device according to the invention.
  • the device according to the invention has a processing device 9 to which one
  • Output device 10 a temperature sensor 11 for determining the temperature, the gas atmosphere (not shown in this view), a pressure sensor 12 for determining the total pressure p of the gas atmosphere and a fan 13 for circulating the gas atmosphere in the area of the sensor 1 are connected.
  • the device according to the invention can be used as follows.
  • the sensor 1 is introduced into the gas atmosphere in such a way that the capacitively sensitive surface 3 comes into contact with the gas atmosphere. Then the
  • Processing device 9 the fan 13 in motion, which circulates the gas atmosphere in the region of the semiconductor sensor 2.
  • the Peltier element 5 is supplied with energy via the connecting line 6, so that the semiconductor sensor 2 cools down. It is continuously scanned via the connecting lines 4 whether liquid condenses out at least at one point on the capacitively sensitive surface 3, the instantaneous temperature of the semiconductor sensor 2 being determined simultaneously by the cooling temperature sensor 7.
  • a saturation temperature T s is reached, liquid 14 condenses on the capacitively sensitive surface 3, as can best be seen in FIG. 1.
  • the temperature T s is determined by the cooling temperature sensor 7 and the temperature T SrU of the gas atmosphere.
  • the result of the air humidity determined in this way is output via the output device 10.

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Abstract

A semiconductor sensor (2) comprising a capacitively sensitive surface (3) is placed in the area of a gas atmosphere. The semiconductor sensor (2) can be cooled by a cooling device (5). The current temperature of the semiconductor sensor (2) is determined using a cooling temperature sensor (7) as liquid (14) condenses on the capacitively sensitive surface (3). The air humidity of the gas atmosphere is subsequently determined using said current temperature and the temperature of the gas atmosphere.

Description

Beschreibungdescription

Feuchtigkeitssensorhumidity sensor

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Menge wenigstens eines in einer vorgegebenen Gasatmosphäre vorhandenen Anteils eines dampfförmigen Stoffs, insbesondere der Luftfeuchtigkeit.The invention relates to a device and a method for determining the amount of at least one portion of a vaporous substance present in a given gas atmosphere, in particular the air humidity.

Im Stand der Technik sind seit langem zur Bestimmung derThe state of the art has long been used to determine the

Luftfeuchtigkeit Taupunkthygrometer, Psychrometer, Absorptionshygrometer und Haarhygrometer bekannt, deren grundlegende Funktionsweise beispielsweise in Kohlrausch, Lehrbuch der praktischen Physik, 12. Auflage 1914, S. 188 ff., dargestellt ist.Dew point hygrometer, psychrometer, absorption hygrometer and hair hygrometer are known, the basic functioning of which is shown, for example, in Kohlrausch, Textbook of Practical Physics, 12th edition 1914, p. 188 ff.

Die im Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit erfordern einen hohen apparativen Aufwand und liefern ungenaue Ergebnisse.The measures known in the prior art for determining the air humidity require a high outlay on equipment and deliver imprecise results.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfach zu bedienende Vorrichtung und ein einfach durchzuführendes Verfahren zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit sowie zur Bestimmung wenigstens eines in einer vorgegebenen Gasatmosphäre vorhandenen Anteils eines dampfförmigen Stoffs bereitzustellen, die eine einfache und genaue Auswertung erlauben.It is an object of the invention to provide an easy-to-use device and an easy-to-carry-out method for determining the air humidity and for determining at least one portion of a vaporous substance which is present in a given gas atmosphere and which allows simple and precise evaluation.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous further developments result from the respective subclaims.

Gemäß der Erfindung sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die folgenden Merkmale vorgesehen: - ein Halbleitersensor mit einer der Gasatmosphäre aussetzbaren, kapazitiv empfindlichen Oberfläche, eine betätigbare Kühlvorrichtung zur Kühlung des Halbleitersensors, einen Kühltemperatursensor zur Bestimmung der momentanen Temperatur des Halbleitersensors und insbesondere der Temperatur der kapazitiv empfindlichen Oberfläche des Halbleitersensors, eine mit dem Halbleitersensor, mit der Kühlvorrichtung und mit dem Kühltemperatursensor in Verbindung stehende Verarbeitungseinrichtung, die so ausgebildet ist, daß die Kapazität von Oberflächenbereichen der kapazitiv empfindlichen Oberfläche selektiv bestimmbar ist, ein mit der Verarbeitungsvorrichtung verbundener Temperatursensors zu Bestimmung der Temperatur der Gasatmosphäre, - eine mit der Verarbeitungsvorrichtung verbundene Ausgabevorrichtung zur Ausgabe von durch die Verarbeitungsvorrichtung bestimmten Informationen.According to the invention, the following features are provided in the device according to the invention: a semiconductor sensor with a capacitively sensitive surface that can be exposed to the gas atmosphere, an actuatable cooling device for cooling the semiconductor sensor, a cooling temperature sensor for determining the instantaneous temperature of the semiconductor sensor and in particular the temperature of the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor, a processing device which is connected to the semiconductor sensor, to the cooling device and to the cooling temperature sensor and is designed in this way, that the capacity of surface areas of the capacitively sensitive surface can be determined selectively, a temperature sensor connected to the processing device for determining the temperature of the gas atmosphere, - an output device connected to the processing device for outputting information determined by the processing device.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dabei das erfindungsgemäße Verfahren, nämlich das Bestirinen derWith the device according to the invention, the method according to the invention, namely the bestirine of

Luftfeuchtigkeit im Speziellen und das Bestimr.en des Anteils eines dampfförmigen Stoffs in einer vorgegebenen Gasatmosphäre im Allgemeinen besonders einfach durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dabei vor, den Halbleitersensor mit seiner kapazitiv empfindlichenHumidity in particular and the determination of the proportion of a vaporous substance in a given gas atmosphere are generally particularly easy to carry out. The method according to the invention provides for the semiconductor sensor with its capacitively sensitive

Oberfläche der Gasatmosphäre auszusetzen. Anschließend wird die Kühlvorrichtung bestätigt, so daß der Halbleitersensor und insbesondere die kapazitiv empfindliche Oberfläche des Halbleitersensors gekühlt wird. Während des Abkühlens wird dabei ständig und wiederholt überprüft, ob sich wenigstens an einem Oberflächenbereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche die gemessene Kapazität verändert hat. Eine solche Veränderung der Kapazität würde darauf hindeuten, daß beim Abkühlen Flüssigkeit auf der kapazitiv empfindlichen Oberfläche auskondensiert ist. Beim Feststellen einer solchen Veränderung wird die momentane Temperatur des Halbleitersensors sowie die Temperatur der Gasatmosphäre festgehalten und aus den gegebenen Meßgrößen der in der Gasatmosphäre vorhandene Anteil eines dampfförmigen Stoffs bestimmt .Expose surface to the gas atmosphere. The cooling device is then confirmed, so that the semiconductor sensor and in particular the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor is cooled. During the cooling process, it is constantly and repeatedly checked whether the measured capacitance has changed at least on one surface area of the capacitively sensitive surface. Such a change in the capacitance would indicate that, on cooling, liquid has condensed out on the capacitively sensitive surface. When such a change is detected, the current temperature of the semiconductor sensor and the temperature of the gas atmosphere recorded and determined from the given parameters the proportion of a vaporous substance present in the gas atmosphere.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, jegliche Größe zu bestimmen, die angibt, welchen Anteil ein dampfförmiger Stoff in einer vorgegebenen Gasatmosphäre einnimmt. Im Zusammenhang mit Wasserdampf spricht man insbesondere von der relativen Feuchte φ, die sich als Verhältnis des im Gemisch vorliegenden Dampfteildruckes pD zu dem nach derWith the device according to the invention and with the method according to the invention, it is possible to determine any size which indicates what proportion a vaporous substance occupies in a given gas atmosphere. In connection with water vapor one speaks in particular of the relative humidity φ, which is the ratio of the partial vapor pressure p D present in the mixture to that according to

Dampfspannungskurve höchstmöglichen Dampfdruck, dem Stättigungsdruck Ps, ergibt. Der Sättigungsdruck ps ist in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Gesamtdruck einer Sattdampftafel oder einer Zustandsgrößentafel für gesättigte feuchte Luft zu entnehmen. Ein Gas-Dampf-Gemisch ist gesättigt, wenn φ = 1 ist und ungesättigt, wenn φ < 1 ist. Im gesättigten Gemisch ist der Dampf darin als Sattdampf enthalten, im ungesättigten Gemisch als Heißdampf.Vapor voltage curve gives the highest possible vapor pressure, the saturation pressure P s . The saturation pressure p s can be found as a function of the temperature and the total pressure of a saturated steam table or a state variable table for saturated humid air. A gas-vapor mixture is saturated if φ = 1 and unsaturated if φ <1. In the saturated mixture, the steam is contained as saturated steam, in the unsaturated mixture as superheated steam.

Für technische Rechnungen arbeitet man mit der absolutenFor technical calculations you work with the absolute

Feuchte x. Besteht das Gas-Dampf-Gemisch m aus der Dampfmasse IΓID und der Gasmasse IUG, SO ist x = mD / mG.Moisture x. If the gas-steam mixture m consists of the vapor mass IΓI D and the gas mass IUG, SO is x = m D / m G.

Schließlich ist als Größe für den Anteil eines dampfförmigen Stoffs in einer vorgegebenen Gasatmosphäre noch derFinally, the size for the proportion of a vaporous substance in a given gas atmosphere is still the

Sättigungsgrad ψ angebbar, nämlich als ψ = x / xs, als Quotient der absoluten Feuchte x des Gas-Dampf-Gemischs bei den vorgegebenen Bedingungen und der absoluten Feuchte xs der Gasatmosphäre im Sättigungszustand.Degree of saturation ψ can be specified, namely as ψ = x / x s , as the quotient of the absolute humidity x of the gas-steam mixture under the specified conditions and the absolute humidity x s of the gas atmosphere in the saturated state.

Der Zusammenhang zwischen der relativen Feuchte φ und dem Sättigungsgrad ψ ist durch die folgende Beziehung vorgegeben:The relationship between the relative humidity φ and the degree of saturation ψ is given by the following relationship:

Figure imgf000005_0001
Zum Bestimmen des vorhandenen Anteils eines dampfförmigen Stoffs in einer vorgegebenen Gasatmosphäre wird gemäß der Erfindung nach einer Abkühlung der Gasatmosphäre - oder eines Teils davon - diejenige Temperatur Ts bestimmt, bei der der Sättigungszustand eintritt. Aus einer Dampftafel entnimmt man zu dieser Temperatur Ts die absolute Sättigungsfeuchte xs. Danach bestimmt man in der selben Dampftafel die absolute Feuchte xs,u für die Ausgangste peratur bzw.
Figure imgf000005_0001
In order to determine the proportion of a vaporous substance present in a given gas atmosphere, the temperature T s at which the saturation state occurs is determined according to the invention after cooling the gas atmosphere - or a part thereof. From a steam table one takes on this temperature s T is the absolute saturation humidity x s. Then you determine the absolute humidity x s , u for the initial temperature or

Umgebungstemperatur Tu der Gasatmosphäre. Danach ergibt sich der Sättigungsgrad ψ als Quotient der absoluten Feuchte xs bei der Kühltemperatur Ts und der absoluten Feuchte xs,u bei der Temperatur Tu der Gasatmosphäre zu ψ = xs / xs,u-Ambient temperature T u of the gas atmosphere. Then the degree of saturation ergibt is the quotient of the absolute humidity x s at the cooling temperature T s and the absolute humidity x s , u at the temperature T u of the gas atmosphere to ψ = x s / x s , u-

Schließlich kann man gemäß der obenstehend angegebenen Beziehung aus dem Sättigungsgrad ψ die relative Luftfeuchte φ berechnen, wodurch insbesondere der Effekt korrigiert wird, daß sich die Luft in der Nähe des gekühlten Halbleitersensors verdichtet hat. Hierzu wird der Sättigungsdampfdruck ps aus der Dampfdrucktafel benötigt, und zwar bei der Temperatur Tu der Gasatmosphäre.Finally, the relative humidity φ can be calculated from the degree of saturation ψ in accordance with the relationship given above, which in particular corrects the effect that the air in the vicinity of the cooled semiconductor sensor has compressed. The saturation vapor pressure p s from the vapor pressure table is required for this purpose, namely at the temperature T u of the gas atmosphere.

In Weiterbildung der Erfindung kann im Bereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche des Halbleitersensors ein insbesondere durch die Verarbeitungsvorrichtung ansteuerbarer Ventilator zur Bewegung der Gasatmosphäre vorgesehen sein. Mit einem solchen Ventilator ist es möglich, einen stationären Zustand im Bereich des Halbleitersensors herzustellen, bei dem die Wärmemenge, die durch die Gasatmosphäre dem Halbleitersensor zugeführt wird, gleich derjenigen Wärmemenge ist, die durch die Verdunstung der auf dem Halbleitersensor kondensierten Flüssigkeit von ihm abfließt. Gerade in einem solchen quasi- stationären Zustand kann eine genaue phänomenologische Betrachtung zur Berechnung des Anteils eines dampfförmigen Stoffs in der Gasatmosphäre erfolgen. In Weiterbildung der Erfindung ist die Verarbeitungsvorrichtung so ausgebildet, daß die Kühlvorrichtung zur Ausführung von zyklischen Kühlvorgängen des kapazitiv empfindlichen Halbleitersensors veranlaßbar ist, wobei bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das wiederholte Überprüfen während des Kühlens, ob sich wenigstens an einem Oberflächenbereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche die Kapazität verändert hat, schleifenartig wiederholt durchgeführt wird. Dadurch ergibt sich ein wiederholtes Abkühlen und Erwärmen desIn a development of the invention, a fan for moving the gas atmosphere can be provided in the region of the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor, which fan can be controlled in particular by the processing device. With such a fan, it is possible to produce a stationary state in the area of the semiconductor sensor, in which the amount of heat that is supplied to the semiconductor sensor by the gas atmosphere is equal to the amount of heat that flows away from it due to the evaporation of the liquid condensed on the semiconductor sensor. It is precisely in such a quasi-steady state that a precise phenomenological observation can be made to calculate the proportion of a vaporous substance in the gas atmosphere. In a further development of the invention, the processing device is designed such that the cooling device can be used to carry out cyclical cooling processes of the capacitively sensitive semiconductor sensor, with the method according to the invention, the repeated checking during cooling whether the capacitance changes at least on one surface area of the capacitively sensitive surface has to be carried out repeatedly in a loop. This results in repeated cooling and heating of the

Halbleitersensors, wobei in jedem Durchgang die momentane Temperatur Ts des Halbleitersensors sowie die Temperatur Tu der Gasatmosphäre festgehalten wird, wenn Flüssigkeit auf dem Halbleitersensor auskondensiert. Dann wird schleifenartig hintereinander bestimmt, wie groß der Anteil des dampfförmigen Stoffs in der gasförmigen Atmosphäre ist.Semiconductor sensor, the instantaneous temperature T s of the semiconductor sensor and the temperature T u of the gas atmosphere being recorded in each pass when liquid condenses on the semiconductor sensor. Then it is determined in a loop-like manner how large the proportion of the vaporous substance in the gaseous atmosphere is.

Ein solches schleifenartiges Wiederholen von Abkühl- und Aufwärmvorgängen des Halbleitersensors kann nicht nur zum fortlaufenden Überprüfen der Gasatmosphäre auf Veränderungen des Anteils des dampfförmigen Stoffs benutzt werden. Vielmehr können auch enger werdende Iterationen vorzugsweise um die letzte momentane Temperatur des Halbleitersensors durchgeführt werden, wenn dort festgestellt wurde, daß Flüssigkeit auf dem Halbleitersensor auskondensiert ist.Such a loop-like repetition of cooling and warming-up processes of the semiconductor sensor can not only be used for continuously checking the gas atmosphere for changes in the proportion of the vaporous substance. Rather, iterations that get narrower can also be carried out, preferably around the last instantaneous temperature of the semiconductor sensor, if it has been found there that liquid has condensed out on the semiconductor sensor.

Dabei ist bei wenigstens einer Wiederholung der betreffenden Schritte des Verfahrens der durchlaufende Temperaturbereich beim Kühlen des Halbleitersensors kleiner als bei der vorhergehenden Wiederholung.In this case, in at least one repetition of the relevant steps of the method, the temperature range running through when cooling the semiconductor sensor is smaller than in the previous repetition.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in einer Weiterbildung auch einen mit der Verarbeitungsvorrichtung verbundenen Drucksensor zur Bestimmung des Gesamtdrucks der Gasatmosphäre auf, der beim erfindungsgemäßen Verfahren zur genaueren Bestimmung des Anteils des dampfförmigen Stoffs an der Gasatmosphäre verwendet wird. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beim Feststellen, daß sich wenigstens an einem Oberflächenbereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche des Halbleitersensors die Kapazität verändert hat, die Dielektrizitätszahl im Bereich des betreffenden Oberflächenbereichs vorhandenenIn a further development, the device according to the invention also has a pressure sensor connected to the processing device for determining the total pressure of the gas atmosphere, which is used in the method according to the invention for more precise determination of the proportion of the vaporous substance in the gas atmosphere. According to a further aspect of the invention, when determining that the capacitance has changed at least on one surface area of the capacitively sensitive surface of the semiconductor sensor, the dielectric constant is present in the area of the surface area in question

Substanz bestimmt. Dabei kann aus der Dielektrizitätszahl der Substanz auch bestimmt werden, welche Substanz bzw. welches Gemisch von Substanzen auf dem Halbleitersensor auskondensiert ist. Dadurch lassen sich vorteilhafterweise mit einer einzigen Messung die Anteile von mehreren dampfförmigen Stoffen in einer vorgegebenen Gasatmosphäre bestimmen. Bei einem Gemisch von mehreren dampfförmigen Stoffen läßt sich nämlich aus der Dielektrizitätszahl des auskondensierten Gemisches der Substanzen feststellen, in welchen Mengenverhältnissen die Substanzen vorliegen. Damit lassen sich auch Rückschlüsse auf die Mengenverhältnisse der dampfförmigen Stoffe in der Gasatmosphäre schließen, wenn entsprechende Zustandsgrößentafein vorliegen.Substance determined. The dielectric constant of the substance can also be used to determine which substance or which mixture of substances has condensed on the semiconductor sensor. As a result, the proportions of several vaporous substances in a given gas atmosphere can advantageously be determined with a single measurement. In the case of a mixture of several vaporous substances, the dielectric ratio of the condensed mixture of substances can be used to determine the proportions in which the substances are present. This also allows conclusions to be drawn about the proportions of the vaporous substances in the gas atmosphere if the corresponding state variables are available.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Kühlung des Halbleitersensors vorteilhafterweise ein Peltierelement verwendet, über das die Luft solange abgekühlt wird, bis sich Flüssigkeit auf dem Halbleitersensor abscheidet. Am Kondensationspunkt läßt sich aus dem Luftdruck und aus der Temperatur der Luft die Luftfeuchtigkeit errechnen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist von Vorteil, daß keine Verschleißteile vorhanden sind. Darüber hinaus kann die Verarbeitungsvorrichtung direkt auf dem Halbleitersensor ausgebildet werden, so daß eine direkte Ausgabe des entsprechenden Meßwerts möglich ist. Außerdem läßt sich der erfindungsgemäße Sensor kostengünstig herstellen. Durch das Verwenden eines Halbleitersensors, bei dem die Kapazität von Oberflächenbereichen der kapazitiv empfindlichen Oberfläche selektiv bestimmbar ist, kann dabei an jeglichem Ort auf dem Halbleitersensor, auf dem Wasser abgeschieden wird, das Erreichen des Kondensationεpunktes festgestellt werden. Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.In the method according to the invention, a Peltier element is advantageously used to cool the semiconductor sensor, via which the air is cooled until liquid is deposited on the semiconductor sensor. At the condensation point, the atmospheric humidity can be calculated from the air pressure and the temperature of the air. An advantage of the device according to the invention is that there are no wearing parts. In addition, the processing device can be formed directly on the semiconductor sensor, so that a direct output of the corresponding measured value is possible. In addition, the sensor according to the invention can be manufactured inexpensively. By using a semiconductor sensor in which the capacitance of surface areas of the capacitively sensitive surface can be determined selectively, the reaching of the condensation point can be determined at any location on the semiconductor sensor on which water is deposited. The invention is described in more detail in the drawing using an exemplary embodiment.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Halbleitersensors undFigure 1 shows a perspective view of a semiconductor sensor according to the invention and

Figur 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit demFigure 2 shows a schematic block diagram of a device according to the invention with the

Halbleitersensor Figur 1.Semiconductor sensor Figure 1.

Figur 1 zeigt einen Meßfühler 1 zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Menge eines in einer vorgegebenen Gasatmosphäre vorhandenen Anteils eines dampfförmigen Stoffs. Der Meßfühler 1 gliedert sich in einen Halbleitersensor 2 mit im wesentlichen quaderförmigen Umriß, der auf seiner Oberseite eine kapazitiv empfindliche Oberfläche 3 aufweist. An einer Stirnseite des Halbleitersensors 2 sind eine Vielzahl von Anschlußleitungen 4 vorgesehen, über die in dieser Ansicht nicht dargestellte Oberflächenbereiche der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 auf ihre Kapazitäten hin abtastbar sind.FIG. 1 shows a sensor 1 for use in a device according to the invention for determining the amount of a portion of a vaporous substance present in a given gas atmosphere. The sensor 1 is divided into a semiconductor sensor 2 with a substantially cuboidal outline, which has a capacitively sensitive surface 3 on its upper side. A large number of connecting lines 4 are provided on one end face of the semiconductor sensor 2, via which surface areas of the capacitively sensitive surface 3 (not shown in this view) can be scanned for their capacitances.

Der Halbleitersensor 2 ist auf einem Peltierelement 5 angeordnet und wärmeleitend mit diesem verbunden. Das Peltierelement 5 kann über Anschlußleitungen 6 mit Energie versorgt werden. Bei einer Energieversorgung des Peltierelements 5 kühlt sich dieses ab, wobei der Halbleitersensor 2 mitgekühlt wird.The semiconductor sensor 2 is arranged on a Peltier element 5 and connected to it in a heat-conducting manner. The Peltier element 5 can be supplied with energy via connecting lines 6. When the Peltier element 5 is supplied with energy, it cools down, the semiconductor sensor 2 also being cooled.

Weiterhin ist im Bereich des Halbleitersensors 2 und des Peltierelements 5 ein Kühltemperatursensor 7 vorgesehen, dessen Signal an einer Kühltemperatursensoranschlußleitung 8 abgegriffen werden kann. Mit dem Kühltemperatursensors 7 ist die momentane Temperatur des Halbleitersensors 2 bestimmbar.Furthermore, a cooling temperature sensor 7 is provided in the area of the semiconductor sensor 2 and the Peltier element 5, the signal of which can be tapped at a cooling temperature sensor connecting line 8. The instantaneous temperature of the semiconductor sensor 2 can be determined using the cooling temperature sensor 7.

Figur 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die insbesondere zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden kann. Wie man in Figur 2 besonders gut sieht, ist der Meßfühler 1 Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Figure 2 shows a schematic block diagram of the device according to the invention, which can be used in particular for determining the air humidity. As can be seen particularly well in FIG. 2, the sensor 1 is part of the device according to the invention.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Verarbeitungsvorrichtung 9 auf, an die eineIn addition, the device according to the invention has a processing device 9 to which one

Ausgabevorrichtung 10, ein Temperatursensor 11 zur Bestimmung der Temperatur, der in dieser Ansicht nicht gezeigten Gasatmosphäre, ein Drucksensor 12 zur Bestimmung des Gesamtdrucks p der Gasatmosphäre sowie ein Ventilator 13 zur Umwälzung der Gasatmosphäre im Bereich des Meßfühlers 1 angeschlossen sind.Output device 10, a temperature sensor 11 for determining the temperature, the gas atmosphere (not shown in this view), a pressure sensor 12 for determining the total pressure p of the gas atmosphere and a fan 13 for circulating the gas atmosphere in the area of the sensor 1 are connected.

Zur Bestimmung des Anteils eines dampfförmigen Stoffs in einer hier nicht gezeigten Gasatmosphäre kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wie folgt vorgegangen werden.To determine the proportion of a vaporous substance in a gas atmosphere (not shown here), the device according to the invention can be used as follows.

Der Meßfühler 1 wird so in die Gasatmosphäre eingebracht, daß die kapazitiv empfindliche Oberfläche 3 mit der Gasatmosphäre in Kontakt tritt. Daraufhin setzt dieThe sensor 1 is introduced into the gas atmosphere in such a way that the capacitively sensitive surface 3 comes into contact with the gas atmosphere. Then the

Verarbeitungsvorrichtung 9 den Ventilator 13 in Gang, der die Gasatmosphäre im Bereich des Halbleitersensors 2 umwälzt. Das Peltierelement 5 wird über die Anschlußleitung 6 mit Energie versorgt, so daß sich der Halbleitersensor 2 abkühlt. Dabei wird beständig über die Anschlußleitungen 4 abgetastet, ob an wenigstens einer Stelle der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 Flüssigkeit auskondensiert, wobei gleichzeitig durch den Kühltemperatursensor 7 die momentane Temperatur des Halbleitersensors 2 bestimmt wird. Beim Erreichen einer Sättigungstemperatur Ts kondensiert Flüssigkeit 14 auf der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 aus, wie am besten in Figur 1 zu sehen ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Temperatur Ts durch den Kühltemperatursensor 7 und die Temperatur TSrU der Gasatmosphäre bestimmt.Processing device 9 the fan 13 in motion, which circulates the gas atmosphere in the region of the semiconductor sensor 2. The Peltier element 5 is supplied with energy via the connecting line 6, so that the semiconductor sensor 2 cools down. It is continuously scanned via the connecting lines 4 whether liquid condenses out at least at one point on the capacitively sensitive surface 3, the instantaneous temperature of the semiconductor sensor 2 being determined simultaneously by the cooling temperature sensor 7. When a saturation temperature T s is reached, liquid 14 condenses on the capacitively sensitive surface 3, as can best be seen in FIG. 1. At this time, the temperature T s is determined by the cooling temperature sensor 7 and the temperature T SrU of the gas atmosphere.

Zur Auswertung der gemessenen Daten wird zunächst die Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit 14 bestimmt. Aus dieser Auswertung ergibt sich, daß es sich bei der auskondensierten Flüssigkeit 14 um Wasser handelt. Es wird angenommen, daß die Temperatur Ts gleich 10°C ist, während die Temperatur TS U gleich 19°C ist. Der vom Drucksensor 12 gemessene Gesamtdruck p = 100 kPa. Aus einer Zustandsgrößentafel für gesättigte feuchte Luft ergibt sich dazu die absoluteTo evaluate the measured data, the dielectric constant of the liquid 14 is first determined. From this Evaluation shows that the condensed liquid 14 is water. It is assumed that the temperature T s is 10 ° C while the temperature T SU is 19 ° C. The total pressure p = 100 kPa measured by the pressure sensor 12. The absolute value is obtained from a state variable table for saturated, moist air

Sättigungsfeuchtigkeit xs zu 7,727 g/kg, während die absolute Sättigungsfeuchte bei Umgebungstemperatur Ts,u gleich 13,966 g/kg ist.Saturation moisture x s at 7.727 g / kg, while the absolute saturation moisture at ambient temperature T s , u is 13.966 g / kg.

Somit kann der Sättigungsgrad der Gasatmosphäre zu 7,727/13,966 = 55,32 % bestimmt werden. Unter der Kenntnis, daß bei Umgebungstemperatur Tu der Sättigungsdruck von Wasser gleich 2.195,7 Pa ist, ergibt sich eine korrigierte Luftfeuchtigkeit der Gasatmosphäre von ca. 60 % .The degree of saturation of the gas atmosphere can thus be determined to be 7.727 / 13.966 = 55.32%. Knowing that at ambient temperature Tu the saturation pressure of water is 2,195.7 Pa, this results in a corrected air humidity of approx. 60% in the gas atmosphere.

Das Ergebnis der so ermittelten Luftfeuchte wird über die Ausgabevorrichtung 10 ausgegeben. The result of the air humidity determined in this way is output via the output device 10.

Claims

Patentansprüche claims 1. Vorrichtung zur Bestimmung der Menge wenigstens eines in einer vorgegebenen Gasatmosphäre vorhandenen Anteils eines dampfförmigen Stoffs, die die folgenden Merkmale aufweist: einen Halbleitersensor (2) mit einer der Gasatmosphäre aussetzbaren, kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3), eine betätigbare Kühlvorrichtung (5) zur Kühlung des Halbleitersensors (2), einen Kühltemperatursensor (7) zur Bestimmung der momentanen Temperatur des Halbleitersensors (2) , eine mit dem Halbleitersensor (2) , mit der Kühlvorrichtung (5) und mit dem Kühltemperatursensor (7) in Verbindung stehende Verarbeitungseinrichtung (9) , die so ausgebildet ist, daß die Kapazität von Oberflächenbereichen der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3) selektiv bestimmbar ist, ein mit der Verarbeitungsvorrichtung (9) verbundener Temperatursensor (11) zur Bestimmung der Temperatur der Gasatmosphäre, eine mit der Verarbeitungsvorrichtung (9) verbundene Ausgabevorrichtung (10) zur Ausgabe von durch die Verarbeitungsvorrichtung (9) bestimmten Informationen.1. Device for determining the amount of at least one portion of a vaporous substance present in a predetermined gas atmosphere, which has the following features: a semiconductor sensor (2) with a capacitively sensitive surface (3) that can be exposed to the gas atmosphere, an actuatable cooling device (5) for Cooling of the semiconductor sensor (2), a cooling temperature sensor (7) for determining the instantaneous temperature of the semiconductor sensor (2), a processing device (9) connected to the semiconductor sensor (2), to the cooling device (5) and to the cooling temperature sensor (7) ), which is designed so that the capacity of surface areas of the capacitively sensitive surface (3) can be determined selectively, a temperature sensor (11) connected to the processing device (9) for determining the temperature of the gas atmosphere, one connected to the processing device (9) Dispenser (10) for dispensing by the processing processing device (9) certain information. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3) des Halbleitersensors (2) ein insbesondere durch die Verarbeitungsvorrichtung (9) ansteuerbarer Ventilator (13) zur Bewegung der Gasatmosphäre vorgesehen ist.2. Device according to claim 1, characterized in that in the region of the capacitively sensitive surface (3) of the semiconductor sensor (2) a fan (13) which can be controlled in particular by the processing device (9) is provided for moving the gas atmosphere. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung (9) so ausgebildet ist, daß die Kühlvorrichtung (5) zur Ausführung von zyklischen Kühlvorgängen des kapazitiv empfindlichen Halbleitersensors (2) veranlaßbar ist.3. Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the processing device (9) is designed such that the cooling device (5) for executing cyclical Cooling processes of the capacitively sensitive semiconductor sensor (2) can be initiated. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Verarbeitungsvorrichtung verbundener Drucksensor (12) zur Bestimmung des Gesamtdrucks der Gasatmosphäre vorgesehen ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a pressure sensor (12) connected to the processing device is provided for determining the total pressure of the gas atmosphere. 5. Verfahren zur Bestimmung der Menge wenigstens eines in einer vorgegebenen Gasatmosphäre vorhandenen Anteils eines dampfförmigen Stoffs, das die folgenden Schritte aufweist :5. A method for determining the amount of at least one portion of a vaporous substance present in a given gas atmosphere, which comprises the following steps: Vorsehen einer Vorrichtung, die die folgenden Merkmale aufweist: einen Halbleitersensor (2) mit einer der Gasatmosphäre aussetzbaren, kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3), wobei die Kapazität von Oberflächenbereichen der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (2) selektiv bestimmbar ist, eine betätigbare Kühlvorrichtung (5) zur Kühlung des Halbleitersensor (2) , einen Kühltemperatursensor (7) zur Bestimmung der momentanen Temperatur des Halbleitersensors (2), - ein Temperatursensor (11) zur Bestimmung der Temperatur der Gasatmosphäre, im Bereich der Gasatmosphäre derart, daß die kapazitiv empfindliche Oberfläche (3) der Gasatmosphäre ausgesetzt ist, - Kühlen des Halbleitersensors (2) durch Betätigen der Kühlvorrichtung (5) , wobei während des Kühlens wiederholt überprüft wird, ob sich wenigstens an einem Oberflächenbereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3) die Kapazität verändert hat und wobei beim Feststellen einer solchen Veränderung die momentane Temperatur des Halbleitersensors (2) sowie die Temperatur der Gasatmosphäre festgehalten wird, wobei in diesem Fall ferner der in der Gasatmosphäre vorhandene Anteil eines dampfförmigen Stoffs bestimmt wird.Providing a device which has the following features: a semiconductor sensor (2) with a capacitively sensitive surface (3) which can be exposed to the gas atmosphere, the capacitance of surface areas of the capacitively sensitive surface (2) being selectively determinable, an actuatable cooling device (5) for cooling the semiconductor sensor (2), a cooling temperature sensor (7) for determining the instantaneous temperature of the semiconductor sensor (2), - a temperature sensor (11) for determining the temperature of the gas atmosphere in the area of the gas atmosphere in such a way that the capacitively sensitive surface (3 ) is exposed to the gas atmosphere, - cooling the semiconductor sensor (2) by actuating the cooling device (5), it being repeatedly checked during the cooling process whether the capacitance has changed at least on one surface area of the capacitively sensitive surface (3), and during the detection such a change the current tem temperature of the semiconductor sensor (2) and the temperature of the gas atmosphere is recorded, wherein in In this case, the proportion of a vaporous substance present in the gas atmosphere is also determined. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Schritte:6. The method according to claim 5, characterized in that the following steps: Kühlen des kapazitiv empfindlichen Halbleitersensors (2) durch Betätigen der Kühlvorrichtung (5), wiederholtes Überprüfen während des Kühlens, ob sich wenigstens an einem Oberflächenbereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3) die Kapazität verändert hat, wobei beim Feststellen einer solchen Veränderung die momentane Temperatur des Halbleitersensors (2) sowie die Temperatur der Gasatmosphäre festgehalten wird und wobei in diesem Fall ferner der in derCooling the capacitively sensitive semiconductor sensor (2) by actuating the cooling device (5), repeatedly checking during cooling whether the capacitance has changed at least on a surface area of the capacitively sensitive surface (3), the instantaneous temperature of the Semiconductor sensor (2) and the temperature of the gas atmosphere is recorded and, in this case, also in the Gasatmosphäre vorhandene Anteil eines dampfförmigen Stoffs errechnet wird, schleifenartig wiederholt durchgeführt werden.The proportion of a vaporous substance present in the gas atmosphere is calculated, repeated in the form of a loop. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei wenigstens einer Wiederholung der betreffenden7. The method according to claim 6, characterized in that at least one repetition of the relevant Schritte des Verfahrens der durchlaufeneSteps of the process of being passed Temperaturbereich beim Kühlen des Halbleitersensors (2) kleiner als bei der vorhergehenden Wiederholung gewählt wird.Temperature range when cooling the semiconductor sensor (2) is selected smaller than in the previous repetition. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Feststellen, daß sich wenigstens an einem8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that when determining that at least one Oberflächenbereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3) des Halbleitersensors (2) die Kapazität verändert hat, die Dielektrizitätszahl der im Bereich des betreffenden Oberflächenbereichs vorhandenen Substanz (14) bestimmt wird.Surface area of the capacitively sensitive surface (3) of the semiconductor sensor (2) has changed the capacitance, the dielectric constant of the substance (14) present in the area of the surface area in question is determined. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Dielektrizitätszahl der im Bereich des betreffenden Oberflächenbereichs vorhandenen Substanz (14) bestimmt wird, welche Substanz (14) bzw. welches Gemisch von Substanzen vorliegt.9. The method according to claim 8, characterized in that the dielectric constant of the substance (14) present in the area of the surface area in question is used to determine which substance (14) or which mixture of substances is present. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre im Bereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3) des Halbleitersensors (2) insbesondere durch einen Ventilator (13) in Bewegung gehalten wird.10. The method according to any one of claims 5 to 9, characterized in that the gas atmosphere in the region of the capacitively sensitive surface (3) of the semiconductor sensor (2) is kept in motion, in particular by a fan (13). 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bestimmens des Gesamtdrucks der11. The method according to any one of claims 5 to 10, characterized in that the step of determining the total pressure of the Gasatmosphäre mit wenigstens einem Drucksensor (12) vorgesehen ist. Gas atmosphere with at least one pressure sensor (12) is provided.
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