Ein Beitrag zur Feuchtekompensation von Präzisionsmeßgeräten

Hilbrunner, Falko GND

Abstract For reducing the measuring uncertainty of precision measuring devices, one possibility is to minimise the transverse sensitivity of measuring devices to disturbance quantities. The disturbance quantities include all influence factors which have an effect on a measuring device, except for the measuring quantity itself. An essential role is played by the three climatic factors temperature, air humidity and air pressure. The state-of-the-art of the modern precision measuring devices is that many of them are equipped with a system for disturbance factor suppression to a large extent. Anyway, particularly the possibility of reducing moisture dependence constitutes an important potential for a further reduction of the measuring uncertainty. This paper presents a systematic approach to realising a moisture- independent measuring device. Starting from the causes of moisture dependence, methods for diminishing this kind of dependence are derived. They can be grouped in two categories: 1. Minimising the humidity transport which is responsible for moisture dependence. 2. Compensation of moisture dependence on the basis of mathematical methods. The humidity transport can be prevented almost completely by keeping the relative humidity in the measuring devices constant, for example by moisture buffering. In addition, it can be reduced by applying a number of design measures such as encapsulation, sealing and damp- proofing. There are numerous methods of modelling the behaviour of systems, of which so-called polynomial models for the mathematical moisture compensation are particularly suitable. These models permit the user to describe both the static and the dynamic moisture dependence together. An important influence on the quality of a mathematical compensation is exerted not only by the model structure, but also by the moisture representation variant (relative humidity, absolute humidity, vapour pressure, dew-point temperature and the like). For determining the moisture dependence of precision measuring devices, experimental investigations are necessary. As the temperature and the moisture dependence interact, the variations in time of the air temperature and humidity must be orthogonal. Only under this condition, statistically solid statements on the temperature and moisture dependence can be derived from the experiments.

Eine Entwicklungsrichtung zur Reduzierung der Meßunsicherheit von Präzisionsmeßgeräten ist die Minimierung von Querempfindlichkeiten der Meßgeräte auf Störgrößen. Zu den Störgrößen zählen alle auf ein Meßgerät wirkenden Einflüsse außer der eigentlichen Meßgröße. Eine wesentliche Rolle spielen die drei Klimagrößen Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck. Stand der Technik ist, daß ein Großteil der heutigen Präzisionsmeßgeräte über eine weitgehende Störgrößenunterdrückung verfügt. Besonders das Gebiet der Reduzierung der Feuchteabhängigkeit bietet jedoch noch erhebliches Potential zur weiteren Verringerung der Meßunsicherheit. Die vorliegende Arbeit stellt eine systematische Vorgehensweise zur Erzielung eines feuchteunabhängigen Meßgerätes vor. Ausgehend von den Ursachen der Feuchteabhängigkeit werden Methoden zur Reduzierung der Feuchteabhängigkeit abgeleitet. Diese Methoden lassen sich in zwei Kategorien einteilen: 1. Minimierung des für die Feuchteabhängigkeit verantwortlichen Feuchtetransportes. 2. Kompensation der Feuchteabhängigkeit auf der Basis mathematischer Methoden. Der Feuchtetransport läßt sich durch die Konstanthaltung der relativen Feuchte im Meßgerät, z.B. durch Feuchtepufferung, fast vollständig unterbinden. Weiterhin kann das Eindringen von Feuchtigkeit in Bauteile durch konstruktive Maßnahmen wie Kapselung, Versiegelung und Abdichtung reduziert werden. Unter einer Vielzahl von Varianten zur Modellierung des Verhaltens von Systemen sind sogenannte Polynommodelle zur mathematischen Feuchtekompensation besonders gut geeignet. Durch diese Modelle ist es möglich, die statische und die dynamische Feuchteabhängigkeit gemeinsam zu beschreiben. Wesentlichen Einfluß auf die Güte einer mathematischen Kompensation hat neben der Modellstruktur auch die Darstellungsvariante der Feuchte (relative Feuchte, absolute Feuchte, Dampfdruck, Taupunkttemperatur und ähnliche). Zur Ermittlung der Feuchteabhängigkeit von Präzisionsmeßgeräten sind experimentelle Untersuchungen erforderlich. Da zwischen Temperatur- und Feuchteabhängigkeit Wechselwirkungen bestehen, müssen die zeitlichen Verläufe von Lufttemperatur und Luftfeuchte orthogonal sein. Nur unter dieser Voraussetzung können aus den Experimenten statistisch gesicherte Aussagen zur Temperatur-und Feuchteabhängigkeit getroffen werden.

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Hilbrunner, Falko: Ein Beitrag zur Feuchtekompensation von Präzisionsmeßgeräten. 2005.

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