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  • 法律状态
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    • 专利摘要:
    Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die es in situ und zeitecht ermöglicht, sowohl eine Aussage über den aktuellen Wert von Gasparametern als auch über die Genauigkeit der Messung zu treffen. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass die Betriebsparameter des Sensors auf diese schonenden Werte eingestellt sind und für ausgewählte Messzeiten auf die für eine optimale Messung geeigneten Werte gebracht werden. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Parameter eines oder mehrerer Gase in einem Prozessmedium, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration, unter Verwendung mindestens eines Sensors.
    公开号:DE102004005353A1
    申请号:DE200410005353
    申请日:2004-02-03
    公开日:2005-08-18
    发明作者:Geert Brokmann；Konrad Hasche；Barbara March；Hans-Joachim Speck；Arndt Steinke
    申请人:CiS Institut fuer Mikrosensorik GmbH；
    IPC主号:G01N25-66
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmungder Parameter eines oder mehrerer Gase in einem Prozessmedium, insbesonderezur Bestimmung der Konzentration, unter Verwendung mindestens einesSensors.
    [0002] UnterProzessmedium werden beliebige Gase und/oder Flüssigkeiten verstanden.
    [0003] DieErmittlung der Parameter von Gasen, insbesondere die Messung derGaskonzentration unter verschiedenen Bedingungen ist in der Regelmit Problemen der Kurz- und Langzeitgenauigkeit verbunden. Hierfür sind eineVielzahl von Einflüssen, beispielsweiseextreme Temperaturen, hohe oder auch sehr geringe Gaskonzentrationen,Kondensation bzw. Betauung sowie Verschmutzungen maßgebend.
    [0004] Einbekanntes Verfahren zur Bestimmung von Gasparametern ist die Ermittlungvon Feuchtegrößen, dieauf der Messung des Taupunktes beruhen und bekanntermaßen GenauigkeitsvorteilegegenüberMessverfahren der relativen Feuchte aufweisen. Diese Verfahren weisensignifikante Nachteile durch Verschmutzung auf.
    [0005] Hierzuist es bekannt, zusätzlicheMaßnahmenzur Verbesserung der Messsicherheit durchzuführen, wie zum Beispiel dasAufheizen der Sensoreinrichtung zur Verdunstung von Verunreinigung bzw.Lokalisierung von Verunreinigungen.
    [0006] NachUS-PS 43 21 577 und US-PS 55 11 418 ist es bekannt, zur Beseitigungvon Kontaminationen bzw. der Betauung den Sensor wiederholt zu heizen.
    [0007] ZurErmittlung eines Maßesfür dieVerunreinigung wird in US-PS 46 26 774 ein Verfahren beschrieben,bei dem aus der Messung des Phasenwinkels bei einem kapazitätsbasiertenTaupunkthygrometer eine Aussage hierzu abgeleitet wird. Nachteiligist hierbei, dass lediglich eine Kompensation des Ausgangssignalserfolgen oder eine Reinigung des Sensors signalisiert werden kann.Die Verunreinigungen werden dadurch nicht verhindert.
    [0008] Fernerist es nach PCT/JP92/00493 bekannt, mittels eines CO2-Gasesdie Verunreinigungen bei der Verdunstung zu beseitigen. Als nachteilig isthierbei insbesondere anzusehen, dass kostenintensive Zusatzausrüstungenfür dieCO2-Steuerung erforderlich sind.
    [0009] DasGerät SpektraL1 von General Eastern nutzt die Schlierenoptik zur Feststellungder Verschmutzung. Eine Beseitigung erfordert zusätzliche Servicearbeiten.
    [0010] NachUS-PS 48 01 211 ist es bekannt, eine Sensoranordnung mit Spiegelperiodisch aufzuheizen, um mit der Verdunstung Verunreinigungenvom Spiegel zu entfernen.
    [0011] Die DE 698 02 449 T2 beschreibtein Verfahren zum Messen der Konzentration zumindest einer Gaskomponentein einem Messgas mittels eines dem Messgas ausgesetzten Widerstandssensors, wobeidie Konzentration aus dem aus der Widerstandsmessung abgeleitetenPartialdruck der Gaskomponente ermittelt wird.
    [0012] DieMaßnahmenzur Bekämpfungvon Verunreinigungen durch Erhitzen der Sensoranordnung sind durchderen Eigenschaften beschränkt.Insbesondere ergeben sich Einschränkungen durch die Eigenschaftender Kontakt- und Leiterbahnsysteme, unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, Besonderheitenvon Zusatzbauelementen wie beispielsweise Peltierelementen bei Kondensationssensoren,Temperaturverträglichkeitder sensitiven Schichten u.a. Insbesondere ist das Aufheizen des Sensorelementesdurch ein unterhalb des Sensors befindliches thermoelektrischesElement durch die Grenzparameter des Peltierelementes begrenzt.Ferner ist es möglich,dass lokale Überhitzungenzu Beeinträchtigungund Degradation von Materialien, von Kontakten u.a. führen unddamit die Langzeitzuverlässigkeitwesentlich reduzieren.
    [0013] DemAufheizen der Oberflächedurch ein Peltierelement oder integrierten Heizer sind Grenzen gesetzt,Materialien zu verdunsten, die einen höheren Siedepunkt als Wasserbesitzen. Bei Lösungsmittelnmit niedrigen Siedepunkten kann man davon ausgehen, dass bei den üblichenBetriebsmodi eine Verdunstung mit stattfindet. Eine ganze Reihevon technischen Prozessen haben aber Lösungsmittelbestandteile miteinem hohen Siedepunkt, die dabei nicht verdunsten. Bleiben dieseVerunreinigungen aber bestehen, wirken sich diese in der Regel deutlichauf die Langzeitgenauigkeit aus.
    [0014] Auchrelative Feuchtesensoren weisen in der Regel bei hohen Temperatureneine größere Drift und/oderHysterese auf. Liegt die relative Feuchte deutlich unter 10% tretenGefahren der Austrocknung der sensitiven Schicht auf. Maßnahmenzum Verhindern dieser Erscheinungen erfordern einen hohen Aufwand.
    [0015] Eingenereller Nachteil der bekannten Lösungen besteht darin, dasszeitecht keine Aussage überden Verschmutzungsgrad und dessen Einfluss auf die Genauigkeit getroffenwerden kann.
    [0016] Inder Regel sind Unterbrechungen des Messzyklus für Funktionskontrollen, Kalibrierungen, Austauschu.ä. erforderlich.Damit steht der Sensor fürdie Prozesssteuerung zu diesem Zeitpunkt nicht zur Verfügung.
    [0017] Miteinem in EP 0 829 008B1 beschriebenen Verfahren wird versucht, die der Prozessluftausgesetzten Feuchtesensoren ohne deren Deinstallation zu kalibrieren.Dies erfolgt mit einer sehr aufwendigen Bypass-Lösung, bei der in einem vonder Prozessluft getrennten Kreislauf die Feuchtesensoren mit einemTauspiegelhygrometer kalibriert werden. Die Kalibrierung erfolgtalso nicht direkt in der Prozessluft.
    [0018] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnungder eingangs genannten Art anzugeben, die es In-situ und zeitechtermöglicht, sowohleine Aussage überden aktuellen Wert von Gasparametern, als auch über die Genauigkeit der Messungzu treffen.
    [0019] DieAufgabe wird erfindungsgemäß mit einemVerfahren; welches die in die im Anspruch 1 angegebenen Merkmaleaufweist, und mit einer Vorrichtung, welche die in die im Anspruch19 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
    [0020] VorteilhafteAusgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
    [0021] Mitdem erfindungsgemäßen Verfahrenund der erfindungsgemäßen Anordnungist es möglich, eineAussage zur Genauigkeit der aktuellen Prozessmessung zu treffen,ohne den Messprozess zu unterbrechen. Darüber hinaus kann zeitecht eineKalibrierung und Justierung vorgenommen werden.
    [0022] Dazuwird mindestens ein Sensor zwar direkt dem Prozessmedium ausgesetzt,jedoch abseits des hinsichtlich der Betriebseinstellungen optimalenArbeitspunktes betrieben. Lediglich für die Dauer einer Messung beziehungsweisefür dieDauer einer Referenzmessung fürweitere Sensoren werden die Betriebseinstellungen für den Arbeitspunktesangefahren. Anschließendwerden die Betriebseinstellungen wieder aus dem Arbeitspunkt herausgefahren.
    [0023] DieErfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    [0024] Dazuzeigen
    [0025] 1a)bis f) prozesstechnische Anordnungsweisen des Sensors und
    [0026] 2a)bis c) kühltechnischeAnordnungsweisen von Sensoren.
    [0027] EinMesssystem kann entweder aus einem einzelnen Sensor bestehen, dessenBetriebseinstellungen erfindungsgemäß nur zu einzelnen Messungenin den Arbeitsbereich beziehungsweise an den Arbeitspunkt gefahrenwerden.
    [0028] Alternativkönnenbei Verwendung mehrerer Sensoren einzelne entweder als Prozesssensoren, diesich hinsichtlich der Betriebseinstellungen ständig im Arbeitsbereich oder-punkt befinden, oder als Referenzsensoren, deren Betriebseinstellungennur zu Uberwachungs-, Kontroll-, Kalibrier- und/oder Kompensationszweckenin den Arbeitsbereich beziehungsweise an den Arbeitspunkt gefahrenwerden, definiert werden.
    [0029] Beider Taupunktmessung erfolgt beispielsweise die Einstellung der Temperaturder Referenzsensoren zwischen der Temperatur der Prozessluft undder Taupunkttemperatur durch eine Temperaturvorgabe für die Erkennungssystemeoder eine kondensatrelevante Signalgröße, wie beispielsweise Wassermasse,Reflexionsgrad, Leitfähigkeitoder Kapazitätund wird durch eine Regelelektronik zur Ansteuerung der Kühlelementerealisiert.
    [0030] Insbesonderekann die Temperatur der Referenzsensoren größer als die Temperatur derProzessluft gehalten werden, um damit eine relevante Kondensationvon Verunreinigungen bei der Temperatur der Prozessluft vermeiden.Dadurch wird die langfristige Genauigkeit des Messung erheblichgesteigert.
    [0031] Inden 1a) bis f) sind unterschiedliche prozesstechnischeAnordnungsmöglichkeitendargestellt, in denen die Erfindung genutzt werden kann. Dabei istjeweils ein Prozesssensor durch ein Kreuz und ein Referenzsensordurch ein umkreistes Kreuz dargestellt. In a) sind Prozesssensorund Referenzsensor direkt in der Prozessleitung angeordnet, in b) sindbeide im Bypass angeordnet. In c) ist der Prozesssensor in der Prozessleitungangeordnet, währendder Referenzsensor im Bypass liegt. In d) ist der Prozesssensorwiederum in der Prozessleitung angeordnet, wohingegen sich der Referenzsensorin einer Ableitung befindet. In e) sind Prozess- und Referenzsensorin einer Einheit integriert. Schließlich ist in f) eine beliebigeAnordnung einer beliebigen Anzahl von Prozess- und Referenzsensorenangedeutet.
    [0032] DieAnordnung mehrerer Sensoren zu einer Einheit kann beispielsweisedurch Unterbringung auf einem gemeinsamen Substrat erfolgen wiein 2a) dargestellt. Alternativ zeigt 2b)zwei separate Sensoren auf einem gemeinsamen Kühlkörper. Möglich ist beispielsweise auchdie Anordnung separater Sensoren einschließlich Kühlelementen auf einer gemeinsamenWärmeabsenkung.Diese Variante zeigt 2c).
    权利要求:
    Claims (36)
    [1] Verfahren zur Bestimmung der Parameter einesoder mehrere Gase in einem Prozessmedium, insbesondere zur Bestimmungder Konzentration, unter Verwendung mindestens eines Sensors, dadurchgekennzeichnet, dass die Betriebsparameter des Sensors auf diesenschonende Werte eingestellt sind und für ausgewählte Messzeiten auf die für eine optimaleMessung geeigneten Werte gebracht werden.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die von dem Sensor währendder ausgewähltenMesszeiten gewonnenen Signale zur Kalibrierung weiterer Sensorenverwendet werden.
    [3] Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor und die weiteren Sensoren unter gleichen Bedingungenbetrieben werden.
    [4] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Messung in einem Bypass einer Prozessleitung durchgeführt wird.
    [5] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor in einem getrennten Prozesskreis zusammen mit zukalibrierenden Sensoren betrieben wird.
    [6] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Betriebsbedingungen des Sensors zu vorgegebenen Zeitpunkten aufdie füreine optimale Messung geeigneten Werte gebracht werden.
    [7] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Betriebseinstellungen des Sensors zu beliebigen Zeitpunktenauf die füreine optimale Messung geeigneten Werte gebracht werden.
    [8] Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Betriebseinstellungen des Sensors auf die für eine optimaleMessung geeigneten Werte gebracht werden, wenn Parameterabweichungenfestgestellt werden.
    [9] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass aus den Messwerten, die unter den Bedingungenfür dieoptimale Messung gewonnen wurden, Aussagen zur Genauigkeit der weiterenSensoren und/oder zu Parameterabweichungen gewonnen werden.
    [10] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass eine Signalisierung erfolgt, wenn die Differenzder Messwerte zwischen dem Sensor und/oder weiteren Sensoren einenvorgegebenen Wert überschreitet.
    [11] Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Differenz zur Fehlerkompensation der weiteren Sensorenverwendet wird.
    [12] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die Bestimmung der Parameter durch eine Taupunktmessung erfolgt.
    [13] Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Messungen erfolgen, wenn der Sensor, ausgehend von derTemperatur des umgebenden Prozessmediums, die zur Messung geeigneteTemperatur angenommen hat.
    [14] Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Messungen erfolgen, wenn der Sensor, ausgehend von einerTemperatur, die zwischen der Temperatur des umgebenden Prozessmediumsund der Taupunkttemperatur liegt, die zur Messung geeignete Temperaturangenommen hat.
    [15] Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Temperatur des Sensors dadurch eingestellt wird, dass derSensor mit einem Kühlelementgekoppelt wird und zwischen Sensor und Kaltseite der KühlelementeWärmewiderstände angebrachtwerden.
    [16] Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Einstellung der Temperatur des Sensors durch eine Regelelektronikund Ansteuerung der Kühlelementeerfolgt.
    [17] Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,dass die Einstellung der Temperatur des Sensors durch eine kondensatrelevanteSignalgröße, wieWassermasse, Reflexionsgrad, Leitfähigkeit, Kapazität und ähnlichenerfolgt.
    [18] Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Messungen erfolgen, wenn der Sensor, ausgehend von einerTemperatur, die größer alsdie Temperatur des Prozessmediums ist, die zur Messung geeigneteTemperatur angenommen hat.
    [19] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass eine Kondensation des Sensors durch Hydrophobierungen derOberflächeverzögertoder unterdrücktwird.
    [20] Anordnung zur Bestimmung der Parameter eines odermehrerer Gase in einem Fluidum, insbesondere zur Bestimmung derKonzentration, mit mindestens einem Sensor, vorzugsweise zur Durchführung desVerfahrens nach einem der Ansprüche1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Sensorund eine Einrichtung zur Beeinflussung der Betriebsparameter desSensors enthält.
    [21] Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor direkt in einer Prozessleitung angeordnet ist.
    [22] Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor in einem getrennten Prozesskreis zusammen mit zukalibrierenden Sensoren angeordnet ist.
    [23] Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor in einem Bypass einer Prozessleitung angeordnetist.
    [24] Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor in einem Endstückeiner Prozessanlage angeordnet ist.
    [25] Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor in einer Einheit angeordnet ist, die neben dem Sensor mindestenseinen weiteren Sensor enthält.
    [26] Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,dass die Einheit aus zwei oder mehreren Bauteilen mit separatenSensoren besteht.
    [27] Anordnung nach Anspruch 25 oder 26 dadurch gekennzeichnet,dass alle Sensoren auf dem gleichen Funktionsprinzip beruhen.
    [28] Anordnung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor und die weiteren Sensoren nach unterschiedlichenFunktionsprinzipen wirken.
    [29] Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor im stationärenGleichgewicht arbeitet.
    [30] Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet,dass der Sensor ein Taupunktsensor ist.
    [31] Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,dass die Sensoren auf einem Substrat integriert sind und unterschiedlichesKondensations-/Verdunstungsverhalten aufweisen.
    [32] Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,dass die Sensoren auf je einem oder einem gemeinsamen Kühlelementmontiert sind.
    [33] Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,dass die Sensoren einschließlichder jeweiligen Kühlelementeauf einem gemeinsamen wärmeableitendenMaterial montiert sind.
    [34] Anordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet,dass zwischen den Sensoren und den Kühlelementen Wärmewiderstände angeordnetsind.
    [35] Anordnung nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet,dass zur Einstellung der Temperatur des Sensors eine Regelelektronikzur Ansteuerung der Kühlelementeangeordnet ist.
    [36] Anordnung nach einem der Ansprüche 20 bis 35, dadurch gekennzeichnet,dass zur Verringerung oder Vermeidung von Kondensationen auf derOberflächedes Sensors Hydrophobierungen angebracht sind.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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    优先权:
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