Fühlerelement für Feuchtigkeitsmesser
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fühlerelement für Feuchtigkeitsmesser.
Es sind bereits Fühlerelemente für Feuchtigkeitsmesser bekanntgeworden, bei denen ein elektrischer Strom durch das Fühlerelement geleitet wird und die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit eines das Fühlerelement umgebenden Stoffes, vorzugsweise eines Gases, gemessen wird, wobei das Fühlerelement ein hygroskopischA Material enthält.
So gehört zum Stand der Technik beispielsweise ein Fühlerelement für einen Feuchtigkeitsmesser, das mit einer Schicht aus hygroskopischem Material auf Vinylbasis mit reinem gut löslichen anorganischen Salz versehen ist, wobei die Wasserabsorption reversibel von der relativen Feuchtigkeit des das Element umgebenden Gases abhängt und das Material auf Vinylbasis ein Polyvinylalkohol ist, dem ein anorganisches Salz, z. B.
Ammoniumchlorid, zugesetzt ist.
Zum Stand der Technik gehört ferner ein Feuchtigkeitsmessgerät, das auf Lithiumchloridbasis arbeitet und einen von Wechselstrom aufgeheizten Fühler besitzt, bei dem die Frequenz des dem Lithiumchloridfühler zugeführten Wechselstroms ein Vielfaches der üblichen Netzfrequenz beträgt. Dieses bekannte Gerät ist als Taupunkt-Messgerät ausgebildet.
Ferner ist ein Feuchtigkeitsanzeigegerät bekanntgeworden, das eine gleichmässige Masse aus wasserunlöslichem polymerem Elektrolyt besitzt, in welchem in genügender Konzentration ionisch aktive Gruppen enthalten sind, die die Fähigkeit besitzen, Wasser leicht zu ab sorbieren und auf dies, e Weise einen physikalischen Wechsel im Elektrolyt bezüglich des Verhältnisses der absorbierten Wassermenge zum Elektrolyt zu verursachen.
Die bekannten Geräte sind jedoch noch mit Nach teilen behaftet. So besteht bei den bekannten Geräten die Schwierigkeit, eine hohe Zeitkonstante zu erzielen.
Nachteilig bei den Vorrichtungen ist dabei eine Schichtverlagerung, eine Verdampfung des Elektrolyts, die durch den dünnen elettrolytischen Filin bei bewegter Luft oder Wärme begünstigt wird und die Tatsache, dass die Hygroskopität des Elektrolyts allein dem Ausgleich des Dampfdruckes dient und durch laufende Schichtverlagerung verändert wird.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Fühlerelementes für Feuchtigkeitsmesser, welches die vorgenanntein Nachteile vermeidet, was erfindungsgemäss dadurch erreicht wird, dass es ein aus Glas, keramischem Material oder Kunststoff in Form eines Röhrchens oder einer Scheibe bestehendes Trägerelement für die Elektrolytsubstanz enthält, dessen zu einem Kratersystem aufgerauhte Oberfläche mit einer Schicht aus kristallinem Material überzogen ist, die Kapillardurchgänge aufweist, und dass ferner das Trägerelement mit Oberflächeneiektroden ausgerüstet ist und die Elektrolytsubstanz an den aufgerauhten Wänden haftet.
Mit diesem Gerät soll es nunmehr möglich sein, eine stabile Feuchtigkeitsanzeige im Bereich von 2 bis 98 e relativer Feuchte zu erreichen. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass das Kapillarsystem der kristallinen Schicht eine Möglichkeit geben kann, das aus d, er Luft bzw. das aus der Materialausgleichsfeuchte aufgenommene Wasser zu speichern, wodurch eine nach- teilige Schichtverlagerung unterbunden werden kann.
Ferner kann nunmehr die an den aufgerauhten Wänden haftende Substanz zur Bildung des Elektrolyts vor äusseren Einwirkungen geschützt und damit die gewünschte hohe zeitliche Konstanz erzielt werden.
Die elektrolytischen Messverfahren unter Anwendung von Lithiumchlorid und unter Ausnützung der Hygroskopität dieser Substanz sind nachteiligerweise im unteren Bereich begrenzt, da die Aufnahmefähigkeit von Wasser unter dem Bereich von 10% relativer Feuchte erlischt. Durch die nunmehrige Anwendung eines feinsten Kapillarsystems kann der Vorteil erzielt werden, dass der Messbereich von 10 % bis auf 2 % relativer Feuchtigkeit erweitert ist.
Durch die Massnahmen ist es ferner möglich, das Fühlerelement mit grosser Genauigkeit auch in Serien produktion herzustellen, wobei - falls dies gewünscht ist - die Dimension des Fühlerelementes so verkleinert werden kann, dass der Temperaturaustausch des Trägers annähernd mit der Anzeigezeit parallel verläuft, d. h. die Feuchtigkeit wird im Bruchteil einer S, Sekunde gemes- sen und ist an einer Skala ablesbar. Diese Messweise kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise in der Meteorologie Feuchtigkeitsveränderungen in rascher Folge registriert werden müssen.
Beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes sollen anhand der Zeichnung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch das Fühlerlement,
Fig. 2 stark vergrössert das Trägerelement mit Kratersystem,
Fig. 3 die sich auf dem Trägerelement befindliche Goldelektroden-Anordnung in Draufsicht und
Fig. 4 die Kombination des Fühlerelementes gemäss Fig. 1 mit einem elektrischen Messgerät.
In allen Figuren sind die gleichen Elemente mit gleichen Bezugszeichen vers, ehen.
Nach der bevorzugten Ausführungsform gemäss Fig. 1 besteht das Fühlerelement für Feuchtigkeitsmesser aus einem äusseren zylinderförmigen Gehäuse 1, dessen Wandung zum Teil aus einem auswechselbaren Edel- stahlfilter 2 besteht, der durchlässig ist für feuchte Luft, dem Sondenrohr 3, das zur Abgleichvorrichtung führt, einem inneren Gehäuse 4, dessen Wandung gleichfalls zumindest zum Teil aus einem bezüglich feuchter Luft durchlässigen Stahlfilter besteht, wobei an der Stirnwand des inneren Gehäuses 4 eine vergoldete Schraube 5 als Masselektrode angeordnet ist, einem Glasröhrchen 6, das als Trägerelement der sogenannten Hygrometer-Sonde dient, sowie einem Halbleiterelement 7, das zur Temperaturkompensierung des Elektrolyts dient.
Mit den Bezugszeichen 13a und 13b sind vorzugsweise vergoldete Anschlusskappen für die Elektrodenanordnung des Glasträgers bezeichnet, die einen korrosionsbeständigen Kontakt gewährleisten.
Das die Stahlfilter 2 tragende e Gehäuse 1 besteht aus einem elektrischen Isolatormaterial, vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen.
In Fig. 2 ist nun das Kernstück des Fühlerelements für Feuchtigkeitsmesser dargestellt; es besteht aus dem Glasröhrchen 6, dessen Oberfläche so rauh gestaltet ist, dass ein Kratersystem 6a vorhanden ist. Die aufgerauhten Wände sind dabei mit der Elektrolytsubstanz belegt, beispielsweise mit einem Gemisch von Lithiumchlorid und Silbernitrat im Gewichtsverhältnis 1: 9. Diese Elektrolytschicht ist mit dem Bezugszeichen 8 versehen.
Über dem Kratersystem 6a ist eine vorzugsweise e etwa 0,1 mm dicke Kristallschicht 9 angeordnet, die beispielsweise aus einem Gemisch von CaSO4 Vo H;O und Seignettesalz besteht. Diese Kristallschicht ist nun besonders dadurch gekennzeichnet, dass sie feine Durchgänge hat, die als Kapillaren anzusprechen sind. Diese Kapillardurchgänge haben die Doppelfunktion, die darunterliegende Elektrolytschicht sowohl zu schützen als auch die Feuchtigkeit aus der Luft anzuziehen und an die Elektrolytschicht, die auf der aufgerauhten Oberfläche des Trägerelementes angeordnet ist, weiterzugeben. Hier spielen die Adhäsionskräfte der Kapillardurchgänge eine wichtige Rolle.
Ein besonderer Vorteil besteht hierbei noch darin, dass man als Elektrolyt nicht mehr unbedingt ein hygroskopisches Material verwenden muss, wie dies bisher der Fall war. Darüber hinaus hat auch das Kratersystem eine grosse mechanische Schutzwirkung bezüglich der Elektrolytsubstanz, d. h. diese wird dank der Tatsache, dass sie an den Kraterwänden haftet, gegen Erschütterungen und störende Lufteinflüss, e geschützt.
Das Glasröhrchen 6, das treffend als Trägerelement für die Hygrometersonde bezeichnet wird, weist beispielsweise in der in Fig. 3 dargestellten Weise zwei Oberflächen-Elektroden 9a und 9b auf, die, wie in der Fig. 3 gezeigt, seitenweise ineinandergreifen können.
Diese Oberflächengoldeiektroden bestehen aus einem sehr dünnen Goldbelag des Glasträgers. Zwischen diesen Elektroden spielen sich die elektrolytischen Leitungsvorgänge ab, die je nach dem Grad der hinzugetretenen Feuchtigkeit intensiver oder weniger intensiv sind und durch deren elektrische Bestimmung eine Masszahl für die vorhandene Umgebungsfeuchtigkeit ermittelt wird.
Da die mit dem vorbeschriebenen Gerät durchgeführte Feuchtigkeitsmessung unter Anwendung des Prinzips der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit von Elektrolyten nicht nur von der Feuchtigkeit, sondern auch von der Temperatur abhängt, ist im Glasröhrchen 6 das Halbleiterelement 7 angeordnet, das zur Temperaturkompensierung des Elektrolyts dient. Diese Kompensierung, die für die Messung der Feuchtigkeit von gro sser Bedeutung ist, erfolgt über einen sogenannten NTC Widerstand, d. h. einen solchen mit negativem Temperaturkoeffizienten (= NTC-Halbleiter).
Bekanntlich ist die relative Feuchtigkeit zeine Funktion der Temperatur, d. h. in einem abgeschlossenen Raum, in dem eine gewisse bestimmte Wassermenge in der Luft enthalten ist, steigt die relative Feuchtigkeit beim Absinken der Temperatur. Dadurch erhöht sich die elektrolytische Leitfähigkeit der Elektrolytsubstanz im Fühlerelement. Da nun nach der Ausführungsform der Fig. 1 die Elektrolytsubstanz der NTC-Widerstand geschaltet ist, bei dem bei Erhöhung der Temperatur die elektrische Leitfähigkeit zunimmt, erfolgt die gewünschte Kompensation, d. h. bei absinkender Temperatur der Feuchtigkeit enthaltenden Umgebungsatmosphäre wird zwar die Leitfähigkeit der Elektrolytsubstanz höher, es sinkt jedoch die Leitfähigkeit des NTC Widerstands ab. Durch eine an sich bekannte Eichung dieser beiden Phänomene erreicht man die gewünschte quantitative Kompensation.
Wenn der NTC-Widerstand eingeschaltet ist, misst man mit dem erfindungsgemässen Fühlerelement für Feuchtigkeitsmesser bei jeder Temperatur exakt die absolute Feuchtigkeit, da die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit der Elektrolytsubstanz ausgeschaltet ist.
Soll dagegen die relative Feuchtigkeit gemessen werden, in deren Messwert die Temperaturabhängigkeit der Elektrolytsubstanz miteingeht, so wird der NTC-Widerstand abgeschaltet.
Das Fühlerelement kann in zwei Ausführungsformen vorliegen. Zur Bestimmung der relativen Feuchte dient der NTC-Halbleiter allein der Kompensierung des Tem peraturko, effizlenten der Elektrolytsubstanz (= Ausführungsform I). Zur Bestimmung der absoluten Feuchte und der Material ausgleich sfeuchte wird der NTC-Halbleiter noch zusätzlich zur Ausschaltung der Temperatureinwirkung der relativen Feuchte verwendet (= Ausführungsform II).
Beide Ausführungsformen können auch in einem Feuchtigkeitsmesser gemeinsam vorhanden sein, wobei die ; Umschaltung auf an sich bekannte Weise erfolgt.
Das Fühlerelement mit dem Sondenrohr 3 ist über das elektrische Kabel 10 mit dem elektrischen Messgerät 11 verbunden. Mit 12 ist ein Handgriff bezeichnet.
Das Fühlerelement wird vorzugsweise mit Wechselstrom betrieben, es funktioniert jedoch auch mit Gleichstrom.
Je grösser die Leitflächen der Elektroden sind, die vorzugsweise Goldelektroden 9a und 9b sind, umso stärker ist der gewünschte Effekt.
Der Trägerkörper 6 besteht vorzugsweise aus einem Glasröhrchen, er kann jedoch auch aus einem Keramikkörper oder einem Kunststoffkörper bestehen, der die in Fig. 2 dargestellte oder eine analoge Oberflächengestaltung besitzt.
Der Glaskörper 6 ist vorzugsweise hohl, da hierdurch erstens eine Masseneinsparung zum Zwecke der rascheren Temperaturangleichung bzw. des rascheren Temperaturausgieichs erzielt wird und zweitens vorzugsweise im Innern des Glaskörpers der NTC-Widerstand zur Temperaturkompensation des sogenannten Gebers seinen Platz findet.
Die Elektrolytsubstanz selbst haftet infolge von Adhäsion fest an den Wänden mit dem Kratersystem 6a.
Infolge der Anordnung des Halbleiters 7 als Kompensationswiderstand im Messbereich, d. h. im Bereich der Feuchtigkeitserfassung, kann durch Anordnung eines Schalters am Messgerät 11 wahlweise die Anzeige der relativen oder der absoluten Feuchtigkeit eingestellt werden. Dieser Schalter schaltet den Halbleiter entsprechend einer Widerstandsmessbrücke zu, in der gleichzeitig der Widerstand des Fühlerelements angeschlossen ist. Die Widerstandsmessbrücke ist auf an sich bekannte Weise mit einer elektrischen Schaltanordnung verbunden, die die Abgleichänderungen der Brücke in Messwerte umsetzt und diese auf ein Anzeigeelement überträgt.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des Fühlerelements dient vor allem zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen, beispielsweise der Luft. Zur Messung der Materialfeuchte dagegen kann das Fühlerelement entsprechend angewandeit werden. So ist z. B. in Fig. 4 eine spitze Sondenform gezeigt, die sehr gut zum Messen der Feuchte von körnigen und pulvrigen Substanzen ge eignet ist. Zur Messung der Oberflächenfeuchtigkeit bzw. der Materialausgleichsfeuchte kann eine Ausführungsform mit grosser Auflagefläche gewählt werden, wodurch der Messeffekt verbessert wird.