Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten relativen Luftfeuchte

Abstract

 Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten relativen Luftfeuchte angegeben. Diese besteht aus einer Sättigerkammer sowie einer mittels mindestens einer Verbindungsleitung damit verbundenen Meßkammer. Die relative Luftfeuchte ist durch die bloße Variation der Drücke in der Sättigerkammer und der Meßkammer einstellbar. In der Meßkammer liegt in einer möglichen Ausführungsform im wesentlichen die gleiche Temperatur wie in der Sättigerkammer vor. In der Verbindungsleitung ist desweiteren eine Ventileinheit angeordnet. Sowohl die Ventileinheit als auch der zwischen Ventileinheit und Sättigerkammer befindliche Bereich der Verbindungsleitung stehen in thermischem Kontakt mit einer Heizeinrichtung.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten relativen Luftfeuchte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Mit zunehmenden Einsatz von Feuchtesensoren, etwa in der Klimatisierungstechnik, resultiert der Wunsch nach Vorrichtungen, über die derartige Feuchtesensoren kalibriert werden können. Hierzu geeignete Vorrichtungen sind auch unter dem Begriff

Feuchtegeneratoren" bekannt. Diese liefern definierte relative Luftfeuchtewerte RH in einer Meßkammer, in der wiederum die zu kalibrierenden Feuchtesensoren oder zumindest Teile hiervon angeordnet werden können.
Neben der Möglichkeit, die jeweils gewünschte relative Feuchte über Salzlösungen nach DIN 50008 einzustellen, sind desweiteren sogenannte Zwei-Druck-/Zwei-Temperatur-Feuchtegeneratoren bekannt geworden. Hierbei wird in einer Sättigerkammer mit Wasserdampf gesättigte Luft bei einer Temperatur T1 und einem Druck p1 erzeugt und anschließend auf einen Druck p2 bei der Temperatur T2 in einer Meßkammer expandiert. Durch die Messung der jeweiligen Drücke pn und Temperaturen Tn kann die relative Feuchte in der Meßkammer bestimmt werden oder anders ausgedrückt: durch die Variation dieser Parameter läßt sich in der Meßkammer die gewünschte relative Feuchte RH definiert einstellen. Zu derartigen Feuchtegeneratoren sei etwa auf die Veröffentlichung

Humidity Sensing, Measurements and Calibration Standards" von P.H. Huang in Sensors, Feb. 1990, Seite 12 - 21 verwiesen. Problematisch an derart aufgebauten Feuchtegeneratoren ist nunmehr der relativ große apparative Aufwand, um insbesondere die Temperaturregelung, Temperaturmessung und Temperaturstabilisierung zu bewerkstelligen.
Eine weniger aufwendige Abwandlung eines derartigen Feuchtegenerators stellt nunmehr ein sog. reiner Zwei-Druck-Generator dar. Hierbei wird durch geeignete Maßnahmen die Temperatur in der Sättigerkammer als auch in der Meßkammer gleich gehalten und die gewünschte relative Feuchte RH lediglich durch Variation der Druckverhältnisse in der Sättigerkammer und der Meßkammer eingestellt. Die relative Feuchte ist somit eine Funktion des Verhältnisses aus p1 und p2, d.h.

, wobei in diese Beziehung lediglich noch bekannte, empirisch bestimmbare Größen eingehen. Zu derartigen Feuchtegenerator-Typen sei beispielsweise auf die JP 09-257283 verwiesen.
Als nachteilig beim bekannten Zwei-Druck-Feuchtegenerator aus dieser Druckschrift ist jedoch anzusehen, daß die auf RH = 100% maximal aufgesättigte Luft im Bereich zwischen der Sättigerkammer und der Ventileinheit auskondensieren kann und damit nicht mehr maximal aufgesättigte Luft in die Meßkammer weitergeleitet wird; hiervon wird jedoch bei der Einstellung der gewünschten relativen Feuchte RH über das Druckverhältnis aus p1 und p2 ausgegangen.

[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kompakte, möglichst einfach aufgebaute Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten relativen Luftfeuchte zu schaffen, bei der insbesondere die oben erwähnten Probleme bei der Feuchtedarstellung vermieden werden.

[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

[0005] Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.

[0006] Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten nunmehr eine äußerst kompakt und einfach aufgebaute Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten relativen Luftfeuchte. Darüberhinaus lassen sich auch die oben erwähnten Probleme im Zusammenhang mit der Kondensation aufgesättigter Luft im Bereich der Verbindungsleitung bzw. Ventileinheit sicher vermeiden.

[0007] Ferner stellen die Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen sicher, daß im gesamten Bereich darzustellender relativer Feuchtewerte eine konstante Gasströmung in die Meßkammer resultiert. So schwankt bei der aus obiger Druckschrift bekannten Vorrichtung bei variierenden relativen Feuchtewerten die Gasströmung in der Meßkammer. Eine konstante Gasströmung ist jedoch vorteilhaft in Bezug auf die Gesamtgenauigkeit des Systemes.

[0008] Es wurde somit eine Vorrichtung geschaffen, die durch einfaches Variieren der Druckverhältnisse in den beiden Kammern eine Erzeugung gewünschter relativer Feuchtewerte RH ermöglicht. Insbesondere der apparative Aufwand wurde gegenüber bekannnten Feuchtegeneratoren hierbei deutlich reduziert, so daß letztlich ein System resultiert, das auch problemlos transportierbar ist.

[0009] In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Maßnahmen in einem sog. Zwei-Druck-Generator eingesetzt; grundsätzlich ist aber möglich, auch in den erwähnten Zwei-Druck/Zwei-Temperatur-Feuchtegeneratoren diese Maßnahmen zu realisieren.

[0010] Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Zeichnungen.

[0011] Dabei zeigt

Figur 1

eine schematische Prinzipskizze eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Figur 2a

eine detaillierte Darstellung der Heizeinrichtung aus Fig. 1;

Figur 2b

das elektrische Schaltbild der Heizeinrichtung aus Figur 2a;

Figur 3

eine Detailansicht der Ventileinheit aus Fig. 1;

[0012] Anhand der schematischen Darstellung in Figur 1 sei nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
So besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten relativen Luftfeuchte in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einer einzigen Baueinheit, in der sowohl die Sättigerkammer 1 als auch die eigentliche Meßkammer 2 angeordnet sind. Die komplette Baueinheit ist hierbei aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Hierzu eignet sich beispielsweise Aluminium. Der Sättigerkammer 1 wird eingangsseitig über eine Zuleitung 3 beispielsweise Luft unter Überdruck p zugeführt.
Mittels eines Reduzierventiles 12 erfolgt die Einstellung des gewünschten Druckes p1 in der Sättigerkammer 1, wobei p1 < p gilt. In der Sättigerkammer 1 befindet sich Wasser 1.1, das zur Aufsättigung der eingeleiteten Luft oder ggf. Stickstoff auf die relative Feuchte RH = 100% dient. Nach der Aufsättigung wird die Luft über eine aus zwei Teilstücken 4.1, 4.2 bestehende Verbindungsleitung und eine Ventileinheit 5 in die eigentliche Meßkammer 2 geleitet. Die Meßkammer 2 wiederum ist über eine offene Zuleitung 2.1 mit der Umgebung verbunden, d.h. in der Meßkammer 2 stellt sich letztlich ein Druck p2 ein, der dem Umgebungsdruck p_a entspricht.

[0013] Über die definierte Einstellung des Druckverhältnisses p2/p1 läßt sich in der Meßkammer 2 die gewünschte relative Feuchte RH darstellen. In der Meßkammer 2 können dann beispielsweise Feuchtesensoren oder zumindest Teile hiervon angeordnet werden, die kalibriert werden sollen. Das beschriebene Ausführungsbeispiel stellt demzufolge einen Zwei-Druck-Feuchtegenerator dar; wie oben erwähnt können die erfindungsgemäßen Maßnahmen grundsätzlich auch in anderen Feuchtegenerator-Typen eingesetzt werden.

[0014] Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt in dieser Variante desweiteren zwei Druckmessungseinheiten 8, 9, über die die jeweiligen Drücke p1, p2 in der Sättigerkammer 1 als auch in der Meßkammer 2 exakt erfaßt werden, um derart über die Beziehung

stets die relative Feuchte RH bestimmen zu können. Hierbei stellt K einen empririsch bestimmbaren, konstanten Realgasfaktor dar. Die Ausgangssignale der beiden Druckmessungseinheiten 8, 9 werden zur Auswertung bzw. Weiterverarbeitung einer Bedieneinheit 7 zugeführt, in der über die oben aufgeführte Beziehung die relative Feuchte RH bestimmt und in einem Anzeigebereich 7.1 dargestellt wird. Daneben umfaßt die Bedieneineit 7 ein Bedienelement 7.2 , das zur Einstellung der gewünschten relativen Feuchte RH in der Meßkammer 1 dient. Über das Bedienelement 7.2 wird letztlich auf das Reduzierventil 12 ingewirkt, um derart definiert den Druck p1 einzustellen, bei dem die Luft in der Sättigerkammer aufgesättigt wird. Über die Einstellung des Druckes p1 und damit letztlich des Druckverhältnisses p2/p1 wiederum ergibt sich die gewünschte definierte Einstellung der relativen Feuchte RH in der Meßkammer 2. Eine entsprechende Signal-Verbindungsleitung zwischen der Bedieneinheit 7 und dem Reduzierventil 12 ist in der Figur 1 ebenfalls schematisch angedeutet.

[0015] Desweiteren ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine in Figur 1 schematisch angedeutete Heizeinrichtung 6 vorgesehen, die in thermischem Kontakt mit bestimmten Teilen der Vorrichtung steht. Hierbei befindet sich die Heizeinrichtung 6 zum einen in thermischem Kontakt mit dem Teilstück 4.1 der Verbindungsleitung zwischen Sättigerkammer 1 und Meßkammer 2, das sich von der Sättigerkammmer 1 bis zur Ventileinheit 5 erstreckt. Zum anderen befindet sich die Heizeinrichtung 6 auch in thermischem Kontakt mit der Ventileinheit 5. Es erfolgt damit ein Heizen des Verbindungsleitungs-Teilstückes 4.1 als auch der Ventileinheit 5, um ein Auskondensieren der auf RH = 100% aufgesättigten Luft in diesem Bereich der Vorrichtung zu verhindern, was letztlich eine Verfälschung der in der Meßkammer 2 darzustellenden relativen Feuchte RH bewirken würde. Weitere Details zur erfindungsgemäß angeordneten Heizeinrichtung 6 werden nachfolgend anhand der Figuren 2a und 2b erläutert.

[0016] Figur 2a zeigt hierbei eine Teilansicht des Ausführungsbeispieles aus Figur 1 mit einer detaillierteren Darstellung der Heizeinrichtung 6; in Figur 2b ist ein elektrisches Schaltbild dieser Heizeinrichtung 6 dargestellt.
Erkennbar ist das Teilstück 4.1 der Verbindungsleitung zwischen der Sättigerkammer 1 und der Meßkammer inclusive der schematisch angedeuteten Ventileinheit 5. Die Heizeinrichtung besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel im wesentlichen aus einem stromdurchflossenen Widerstandsdraht, der wiederum zwei Teilstücke 6.1a, 6.1b umfaßt.
Das erste Teilstück 6.1a des Widerstandsdrahtes ist dabei um die Verbindungsleitung 4.1 im Bereich zwischen der Sättigerkammer 1 und der Ventileinheit 5 gewickelt angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wurde die Wicklung des Widerstandsdrahtes 6.1a in diesem Bereich der Verbindungsleitung dergestalt gewählt, daß etwa die Hälfte der Länge des Widerstandsdrahtes 6.1a im ersten Drittel der Verbindungsleitung 4.1, beginnend bei der Sättigerkammer 1, angeordnet wurde.
Das zweite Teilstück 6.1b des Widerstandsdrahtes ist hingegen um die Ventileinheit 5 gewickelt angeordnet. Von der Ventileinheit 5 ist in dieser Darstellung ferner ein Bedienelement 5.3 erkennbar, über das gegebenenfalls eine Einstellung des gewünschten Gasstromes in die Meßkammer 2 erfolgen kann.

[0017] Um den Bereich 4.1 der Verbindungsleitung sowie um die Ventileinheit 5 mit den jeweiligen Teilstücken der Widerstandsdrähte 6.1a, 6.1b ist desweiteren jeweils eine Isolierung 13 angeordnet. Diese dient zur thermischen Isolation dieser Bereiche bzw. der Heizeinrichtung 6 gegenüber der Umgebung. Als Isolierung können beispielsweise handelsüblicher PU-Schaum oder sonstige handelsübliche, vorgefertigte Rohrisolierungen vorgesehen werden.

[0018] Die beiden Widerstandsdrähte 6.1a, 6.1b der Heizeinrichtung sind im dargestellten Ausführungsbeispiel in Serie geschaltet und weisen Kontakte U_V, GND zur Verbindung mit einer geeigneten Versorgungsspannung auf. Zwischen den beiden Widerstandsdrähten 6.1a, 6.1b ist desweiteren ein Kontakt U_M vorgesehen, über den eine eine Kontrollspannung abgegriffen werden kann und demzufolge zur Funktionskontrolle der Heizeinrichtung dient.
Das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild zum gezeigten Ausführungsbeispiel einer Heizeinrichtung ist in Figur 2b dargestellt. In einer möglichen Ausführungsform wurde hierbei in den beiden Widerstandsdrähten 6.1a, 6.1b jeweils ein elektrischer Widerstand von 100Ω gewählt. Die am Kontakt U_V anliegende Versorgungsspannung beträgt 24V; die Heizeinrichtung ist in diesem Ausführungsbeispiel demzufolge als einfache Konstantleistungsregelung ausgebildet. Über eine derartige Dimensionierung bzw. Auslegung der Heizeinrichtung läßt sich im Bereich 4.1 der Verbindungsleitung als auch im Bereich der Ventileinheit 5 eine Erwärmung von ca. 5 - 7°C erreichen, die unabhängig von der jeweiligen Umgebungstemperatur ist. Die Temperatur liegt in diesen Bereichen damit zumindest geringfügig oberhalb der Taupunkttemperatur der in der Sättigerkammer aufgesättigten Luft. Eine Auskondensation der aus der Sättigkerkammer kommenden hochgesättigten Luft läßt sich über diese Maßnahmen in diesen Bereichen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zuverlässig verhindern.

[0019] Eine detaillierte Ansicht der Ventileinheit 5 ist in Figur 3 gezeigt. Hierbei wurde aus Übersichtlichkeitsgründen auf die Darstellung der Heizeinrichtung verzichtet.

[0020] Die Ventileinheit 5 umfaßt in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise einen eingangsseitig angeordneten, sog. Differenzdruckregler 5.1, dem ein Nadelventil 5.2 nachgeordnet ist, das in der gezeigten Ausführungsform desweiteren ein Einstellelement 5.3 umfaßt. Das Einstellelement 5.3 des Nadelventiles 5.2 kann genutzt werden, um damit einen gewünschten Gasstrom in der Meßkammer einzustellen.

[0021] Der eingangsseitig in der Ventileinheit 5 angeordnete Differenzdruckregler 5.1 hält nunmehr den auf das Nadelventil 5.2 gelangenden Luftdruck p_z und damit den Luftstrom in der Meßkammer konstant, unabhängig von eingangsseitigen Schwankungen des Luftdruckes p1 in der Sättigerkammer 1. In der Verbindungsleitung zwischen dem Differenzdruckregler 5.1 und dem Nadelventil 5.2 wird hierbei ein Zwischendruck p_z eingestellt, der etwa 150mbar über dem Druck p2 liegt; der Zwischendruck p_z wird konstant gehalten. Mit Hife des Nadelventiles 5.2 erfolgt eine Entspannung bzw. Expansion des Gases von p_z auf p2, wobei p2 in der Regel dem Umgebungsdruck entspricht. Durch die erfindungsgemäße Regelung des Zwischendruckes p_z auf den konstanten Wert

wird somit eine weitgehend konstante Druckbeaufschlagung des Nadelventiles 5.2 unabhängig vom eingestellten Druck p1 gewährleistet. Letztlich wird derart ein weitgehend konstanter Massendurchfluss durch die Ventileinheit 5 bzw. ein weitgehend konstanter Gasstrom in der Meßkammer sichergestellt. Dies erweist sich etwa für die gewünschte Kalibration von Feuchtesensoren in der Meßkammer als äußerst vorteilhaft, wenn bei der Kalibration ein konstanter Gasstrom vorausgesetzt wird. Geeignete Differenzdruckregler 5.1 sind beispielsweise von der Firma Fischer & Porter unter der Bezeichnung

Differenzdruckregler Serie 53R_2110" erhältlich.

[0022] Die Ventileinheit 5 besteht aus einem Differenzdruckregler 5.1, einem Nadelventil 5.2 und gegebenenfalls einer Justiereinrichtung für das Nadelventil 5.3. Mittels 5.1 wird in der Verbindungsleitung zwischen 5.1 u. 5.2 ein Zwischendruck p_z von ca. 150 mbar über p2 eingestellt und konstant gehalten.

[0023] Dieser Zwischendruck p_z wird schließlich über das Nadelventil auf p2 expandiert wobei für p2 i.a. p2 = p_a (Umgebungsdruck) gilt. Durch die Regelung des Zwischendrucks p_z auf einen konstanten Wert

wird eine konstante Druckbeaufschlagung des Nadelventils unabhängig vom eingestellten Druck p1 gewährleistet, woraus ein konstanter Gasstrom in der Meßkammer resultiert.

[0024] Neben den oben anhand eines Ausführungsbeispieles erläuterten Maßnahmen existieren selbstverständlich noch alternative Ausgestaltungsmöglichkeiten. So ist es etwa insbesondere möglich, eine anders aufgebaute Heizeinrichtung zu verwenden; so gibt es z.B. auch konfektionierte Heizungsbänder, die an dieser Stelle eingesetzt werden könnten. Ebenso könnte in einer aufwendigeren Ausführungsform auch eine Temperaturmessung erfolgen und die Heiztemperatur über eine Regelung eingestellt werden usw.. Entscheidend ist jedoch lediglich, daß sowohl der erste Teilbereich der Verbindungsleitung als auch die Ventileinheit in thermischem Kontakt mit der jeweiligen Heizeinrichtung stehen.

[0025] Daneben existieren selbstverständlich auch noch andere Möglichkeiten, wie etwa die konkrete Geometrie der beiden Kammern als auch der jeweiligen Verbindungsleitung ausgeführt werden kann etc..

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer definierten relativen Luftfeuchte (RH), bestehend aus einer Sättigerkammer (1) sowie einer mittels mindestens einer Verbindungsleitung (4) damit verbundenen Meßkammer (2), in der die definierte, relative Luftfeuchte (RH) durch die bloße Variation der Drücke (p1, p2) in der Sättigerkammer (1) und der Meßkammer (2) einstellbar ist, wobei desweiteren in der Verbindungsleitung (4.1, 4.2) eine Ventileinheit (5) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
sowohl die Ventileinheit (5) als auch der zwischen Ventileinheit (5) und Sättigerkammer (1) befindliche Bereich der Verbindungsleitung (4.1) in thermischem Kontakt mit einer Heizeinrichtung (6; 6.1a, 6.1b) steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßkammer (2) im wesentlichen die gleiche Temperatur wie in der Sättigerkammer (1) vorliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigerkammer (1) größer als die Meßkammer (2) ausgebildet ist und die Meßkammer (2) zusammen mit der Sättigerkammer (1) integriert in einer einzigen Baueinheit angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6, 6.1a, 6.1b) derart ausgebildet ist, daß damit die Temperatur der Verbindungsleitung (4.1) als auch der Ventileinheit (5) zumindest geringfügig oberhalb der Taupunkttemperatur der in der Sättigerkammer (1) aufgesättigten Luft einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6, 6.1a, 6.1b) mit einer Temperatursteuerung versehen ist, über die eine bestimmte Heizleistung einstellbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (6, 6.1a, 6.1b) in Form eines stromdurchflossenen Widerstandsdrahtes (6.1a, 6.1b) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (5) derart ausgebildet ist, daß damit auch bei schwankendem Eingangsgasdruck (p1) von der Sättigerkammer (1) her ein weitgehend konstanter Ausgangsgasstrom in Richtung der Meßkammer (2) gewährleistet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinheit (5) eingangsseitig einen Differenzdruckregler (5.1) aufweist, dem ein verstellbares Nadelventil (5.2) nachgeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß um den mit Widerstandsdraht (6.1a) umwickelten Bereich (4.1) der Verbindungsleitung sowie um die Ventileinheit (5) eine Isolierung (13) zur thermischen Isolation angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß desweiteren eine Bedieneinheit (7) vorgesehen ist, die mindestens ein Bedienelement (7.2) zur definierten Einstellung der relativen Feuchte (RH) in der Meßkammer (2) sowie eine Anzeigeeinheit (7.1) zur Anzeige der jeweils aktuell eingestellten relativen Feuchte (RH) umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Bedienelement (7.2 ) zur Einstellung der definierten Feuchte (RH) auf ein Reduzierventil (12) einwirkt, das in der eingangsseitigen Zuleitung (3) der Sättigerkammer (1) angeordnet ist.

Zeichnung