DE19942317C2 - Verfahren zur Feuchtebestimmung, Sensor zur Durchführung des Verfahrens und Meßanordnung - Google Patents

Description

Die im folgenden beschriebene Erfindung liegt auf dem Gebiet der instrumentel­ len Analytik und betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Feuchte (Wasser) in unterschiedlichen Materialien wie Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen. Sie be­ trifft ebenfalls für dieses Verfahren geeignete Sensoren und Meßanordnungen.

Das Problem der Feuchtemessung, das heißt der Bestimmung des Wasserge­ haltes, stellt sich bei unterschiedlichsten Materialien wie Feststoffen, beispiels­ weise Holz, Sand oder Beton, organischen Flüssigkeiten oder Gasen, wie etwa Luft. Dementsprechend sind schon zahlreiche Verfahren zur Feuchtebestim­ mung entwickelt worden, die von naßchemischen Verfahren, wie etwa die Karl- Fischer-Titration, bis hin zu rein instrumentellen Methoden, wie die Bestimmung der relativen Luftfeuchte mit Hilfe von Hygrometern oder die Bestimmung des Wassergehalts organischer Lösungsmittel mit Hilfe der NMR-Spektroskopie, rei­ chen. Bei vielen Verfahren ist es notwendig, von dem zu untersuchenden Mate­ rial eine Probe zu entnehmen, was oft bei festen Materialien zu einer partiellen Zerstörung führt, doch gibt es auch eine Reihe von Verfahren, die mit Hilfe ge­ eigneter Sensoren eine zerstörungsfreie Bestimmung der Feuchte in unter­ schiedlichen Materialien erlauben. Übersichten über die bekannten Verfahren finden sich etwa in den folgenden Büchern: S. Soloman, Sensors Handbook, McGraw-Hill, New York 1998; W. Göpel (Herausgeber), Sensors: A Compre­ hensive Survey, VCH Weinheim, 1989.

So kennt man beispielsweise für die Feuchtemessung an Holz, Stein und Mau­ erwerk elektrische Methoden, bei denen mit Hilfe geeigneter Sensoren die Leit­ fähigkeit oder die dielektrischen Eigenschaften des Materials gemessen und daraus anhand entsprechender Kalibrierkurven die Feuchtigkeit bestimmt wird. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, nicht unmittelbar den Widerstand oder die Kapazität am zu untersuchenden Material selbst zu messen, sondern Leitfähig­ keit oder Kapazität in einer Polymermatrix zu messen, nachdem dieses mit dem zu untersuchenden Material in Kontakt gebracht worden ist und Wasser aus die­ sem Material bis zum Gleichgewicht aufgenommen hat. Nach entsprechender Kalibrierung kann aus den elektrischen Meßgrößen des Polymers auf den Wassergehalt des zu untersuchenden Materials geschlossen werden. Da die elektrischen Meßgrößen über Leitungen zu den Meßgeräten übertragen werden können, bieten diese Verfahren die Möglichkeit der Fernmessung auch an entle­ genen Stellen, so dass eine Probenahme in der Regel nicht notwendig ist.

Auch die elektrischen Feuchtemeßverfahren haben jedoch eine Reihe von Nachteilen: Aufgrund der Leitungswiderstände ist eine Messung über große Entfernungen nur mit erheblichem Aufwand möglich. Gleichzeitig können selbst bei nur kurzen elektrischen Leitungen externe elektrische Felder sehr leicht die Messung stören. Besonders störend wirkt sich in chemisch aggressiver Umge­ bung die Korrosionsempfindlichkeit der elektrischen Sensoren aus, die vor allem durch die galvanische Wirkung des in diesen Sensoren fließenden Stroms be­ dingt wird. Elektrisch arbeitende Feuchtesensoren sind deshalb nicht zur Über­ wachung durchfeuchteter Bauwerksubstanz, insbesondere Beton, oder in ande­ rer aggressiver Umgebung, beispielsweise in Kläranlagen, einsetzbar. Es wurde daher nach wie vor nach Verfahren zur Feuchtebestimmung gesucht, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen. Insbesondere bestand ein Bedarf an einem Verfahren, mit dem die Feuchte im Innern von Bauwerkssubstanzen, ins­ besondere in Beton, über einen längeren Zeitraum zerstörungsfrei bestimmt werden kann.

Auch optische Meßverfahren sind zur Feuchtemessung schon vorgeschlagen worden: So werden in US 5 440 927 A ein Verfahren sowie Sensoren und Meß­ anordnungen beschrieben, deren Meßprinzip darauf beruht, dass die Fluores­ zenzintensität bestimmter Farbstoffe bei Anwesenheit von Feuchtigkeit abnimmt.

In EP 536 656 A1 werden miniaturisierte Feuchtesensoren beschrieben, deren Meßprinzip in der Auswertung einer feuchteabhängigen Interferenz besteht. In US 5 268 145 A werden Sensoren zur Bestimmung von Chemikalien, wie zum Bei­ spiel Wasser, beschrieben, die einen Film aus einer hydrophilen Substanz, in den Farbstoffe eingebettet sind, enthalten. Derartige Filme ändern in Abhängig­ keit vom Wassergehalt ihre Lichtreflexion, so dass die Intensität des reflektierten Lichts mit zunehmender Feuchtigkeit abnimmt. DE 195 45 293 A1 beschreibt Einrichtungen zur Überwachung des Wasseranteils in Kreisläufen von Kältean­ lagen. Zur Ermittlung des Wasseranteils werden Feuchteindikatoren eingesetzt, die entsprechend dem Wassergehalt im Kältemittel ihre Farbe ändern. Ausge­ wertet wird das vom Feuchteindikator reflektierte Licht. In CH 666 752 A5 wird ein Meßgerät beschrieben, in dem die Lichtabsorption bestimmter Farbstoffe vor allem von farbigen Metallsalzen, die sich in Gegenwart von Feuchtigkeit ändert, gemessen wird. In einer Veröffentlichung von J. Milton Harris et al. (NASA Tech. Brief, April 1992, MFS-26128-1, Seite 65) wird eine Methode zur Bestimmung von Chemi­ kalien in Gasen oder Flüssigkeiten mit Hilfe von solvatochromen Farbstoffen be­ schrieben, deren Farbe sich in Abhängigkeit von der Konzentration der zu be­ stimmenden Substanz ändert. Die Konzentration der Substanz kann aus der Farbänderung mit Hilfe einer Farbvergleichskarte oder aber auf spektrometri­ schem Wege ermittelt werden.

Auch der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Feuchtebestimmung zu entwickeln, das die oben geschilderten Nachteile nicht aufweist. Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, das Verhalten sogenannter solvatochromer Farbstoffe für ein Verfahren zur Feuchtebestim­ mung auszunutzen. Bei solvatochromen Farbstoffen hängt der energetische Ab­ stand zwischen dem elektronischen Grundzustand des Farbstoffmoleküls und einem angeregten elektronischen Zustand sehr stark von der Polarität des Lö­ sungsmittels ab, in dem der Farbstoff sich befindet. Da der energetische Abstand für die spektrale Lage der zugehörigen Absorptions- oder Fluoreszenzbande im Spektrum verantwortlich ist, werden Farbe bzw. Fluoreszenzfarbe des Farbstoffs in mehr oder weniger starkem Maße von der Polarität des Lösungsmittels beein­ flußt (C. Reichardt, Chem. Soc. Rev. 21 (1992), 147-153). Wesentlicher Gedanke der Erfindung ist es, geeignete solvatochrome Fluoreszenzfarbstoffe in eine wasserunlösliche Polymermatrix einzubetten und deren spektrales Verhalten als Maß für die Feuchtigkeit in dieser Polymermatrix und damit indirekt als Maß für die Feuchtigkeit des die Polymermatrix umgebenden Materials zu verwenden. Die Umsetzung dieses Gedankens führte dann überraschenderweise zu einem Verfahren, das die oben genannten Nachteile vermeidet und zahlreiche weitere Vorteile aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Feuchtebestimmung, bei dem

• - das Material, dessen Feuchte bestimmt werden soll, mit einer wasserunlösli­ chen Polymermatrix in Verbindung gebracht wird, die einen Farbstoff enthält, der wenigstens eine Fluoreszenzbande aufweist, deren spektrale Lage vom Feuchtigkeitsgehalt der Matrix beeinflußt wird,
• - die Lage dieser Bande nach Ausgleich des Feuchtigkeitsgehalts zwischen Polymermatrix und Material mit Hilfe einer geeigneten Lichtquelle und eines geeigneten Spektrometers ermittelt wird und
• - der Feuchtegehalt anhand einer Kalibrierkurve aus der Bandenlage bestimmt wird.

Vor allem für Fernmessungen wird die den Farbstoff enthaltende Polymermatrix in einem Sensor untergebracht, der mit Lichtquelle und Spektrometer über min­ destens einen Lichtwellenleiter so verbunden ist, dass die Ermittlung der Ban­ denlage aus der Ferne möglich ist. Weitere Gegenstände der Erfindung sind ein für das Verfahren geeigneter Sensor und eine für das Verfahren geeignete Meß­ anordnung.

Das neue Verfahren eignet sich für in-situ-Messungen an Materialien aller Ag­ gregatszustände, d. h. für Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase. Da am eigentlichen Meßpunkt keine elektrischen Ströme fließen und keine elektrischen Spannungen anliegen, ist die Korrosionsgefahr auch in aggressiver Umgebung sehr gering. Eine Gefährdung der Arbeitssicherheit durch Funkenbildung kann ohne weiteres völlig ausgeschlossen werden. Das Verfahren zeichnet sich durch hohe Genau­ igkeit und, da die Meßanordnung keine Drift zeigt, durch hohe Reproduzierbar­ keit aus. Das Verfahren eignet sich daher auch sehr gut für Langzeitüberwa­ chungen. Die Verbindung des Sensorkopfes mit den Meßgeräten über Lichtwel­ lenleiter auf faseroptischer Basis erlaubt die Feuchtebestimmung aus sehr gro­ ßer Distanz, wobei die Leitungslängen ohne weiteres mehrere 100 m betragen können. Eine Störung durch elektromagnetische Felder oder ionisierende Strah­ lung ist nicht möglich.

Zur Erreichung verläßlicher Meßergebnisse ist es beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht zwingend notwendig, das Material, dessen Feuchte bestimmt werden soll, und die wasserunlösliche Polymermatrix, die den Farbstoff enthält, in unmittelbaren Kontakt zu bringen. Wichtig ist, dass ein ungestörter Ausgleich der Feuchtigkeit zwischen dem Material und der Polymermatrix stattfinden kann. Dies ist auch dann gegeben, wenn sich ein Übertragungsmedium, wie etwa Luft, zwischen der Oberfläche des Materials und der Oberfläche der Polymermatrix befindet, so dass auch Messungen in Schüttgüter, wie etwa Sand und Sägespä­ nen, ohne weiteres mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich sind. Für die Einstellung des Feuchtegleichgewichts sind in der Regel nur Zeiten im Minuten­ bereich erforderlich.

Zum Aufbau der Polymermatrix eignen sich wasserunlösliche organische Poly­ mere, die vorzugsweise eine hohe Wasseraufnahmefähigkeit und vorzugsweise im trockenen Zustand eine geringe Polarität aufweisen. Bevorzugt werden wei­ terhin solche Polymere, die eine hohe Transparenz aufweisen, da dann Licht­ verluste durch Streuung oder Eigenabsorption nur gering sind. Vorzugsweise sollen die Polymere auch Glasübergangstemperaturen unterhalb von 100°C aufweisen, da dies die Diffusionsgeschwindigkeit im Polymer zu begünstigen scheint. Selbstverständlich wird von den Polymeren auch eine hohe chemische Beständigkeit gegen die Materialien erwartet, in denen sie eingesetzt werden. Als besonders geeignet haben sich unter diesen Gesichtspunkten Cellulosea­ cetat. Celluloseacetatbutyrat, Polymethacrylnitril, Polyamid, hier insbesondere Nylon-6, sowie das 4-Vinylpyridin-Styrol-Copolymere erwiesen. Geeignet sind auch Mischungen dieser Polymere, soweit sie miteinander verträglich sind. Die Möglichkeiten der Auswahl unter einer großen Anzahl von organischen Polyme­ ren und Copolymeren gestattet es, die Polymermatrix allen besonderen Anforde­ rungen optimal anzupassen.

Als Farbstoffe werden vorzugsweise solche solvatochromen Fluoreszenzfarb­ stoffe verwendet, die sich durch einen großen solvatochromen Effekt, d. h. durch eine weite Verschiebung der charakteristischen Bande in Abhängigkeit von der Polarität der Polymermatrix ausweisen, da diese eine besonders hohe Meßge­ nauigkeit ergeben. Besonders gut eignet sich für das erfindungsgemäße Verfah­ ren 5-Amino-2-methyl-1,3-isoindolindion (CAS-Registry-No. 2307-00-8).

Die Einarbeitung des Farbstoffs in die Polymermatrix kann im einfachsten Falle dadurch erreicht werden, dass beide Komponenten in einem gemeinsamen Lö­ sungsmittel gelöst und dieses Lösungsmittel dann wieder aus der Mischung, bei­ spielsweise durch Abdampfen, entfernt wird. Auf diese Weise lassen sich Folien oder blockförmige Polymermatrices herstellen, die gewünschtenfalls nachträglich auch mechanisch oder im Schmelzverfahren weiter verformt werden können. In Einzelfällen kann es auch zweckmäßig sein, das Polymermaterial nach der Ein­ bettung des Farbstoffs auf üblichem Wege zu vernetzen und dadurch seine Lös­ lichkeit zu verringern und die chemische und mechanische Widerstandsfähigkeit der Polymermatrix zu erhöhen. Möglich ist es aber auch, geeignete Farbstoffde­ rivate in polymeranaloger Reaktion oder durch direktes Einpolymerisieren kovalent mit dem Polymermolekül zu verbinden und auf diese Weise Farbstoff und Matrix zu vereinigen. Dies kann vor allem dann vorteilhaft sein, wenn Farbstoffe verwendet werden sollen, die zum Auswandern aus der Polymermatrix neigen. Die Löslichkeit des Farbstoffs in dem Polymer, das die Matrix bildet, ist im all­ gemeinen kein begrenzender Faktor, da nur sehr wenig Farbstoff benötigt wird, um eine zuverlässige Messung der Fluoreszenz zu ermöglichen. Vorzugsweise werden solche Mengen an Farbstoff verwendet, dass die Extinktionen der für die Fluoreszenzanregung verwendeten Bande zwischen etwa 0,4 und etwa 2, insbe­ sondere zwischen etwa 0,5 und etwa 1,5, liegt, doch können selbstverständlich auch höhere Konzentrationen an Fluoreszenzfarbstoff verwendet werden.

Für die Anregung der Fluoreszenz eignet sich jede Lichtquelle mit ausreichend starker ultravioletter Strahlung, wie beispielsweise Deuterium-Lampen, Eximer- Laser, verdreifachte Nd-YAG-Laser und UV-Leuchtdioden.

Zur spektralen Analyse des aus der Polymermatrix austretenden Fluoreszenz­ lichts, das heißt hier zur Ermittlung der Wellenlänge des Bandenmaximums, wird ein Spektrometer mit einer für die gewünschte Genauigkeit ausreichenden Auf­ lösung benötigt. Derartige Gerät sind in vielfältiger Form im Handel. Geeignet sind beispielsweise Geräte mit durchstimmbarem Monochromator und nachge­ schalteter Detektoreinheit, die allerdings eine verhältnismäßig lange Meßzeit be­ nötigen. Eine schnellere Messung ist beispielsweise mit einem CCD-Zeilen- Spektrometer möglich, bei dem das zu analysierende Licht mit Hilfe eines Gitters in seine spektralen Bestandteile zerlegt und diese gleichzeitig in einer entspre­ chend gestalteten charged coupled device (CCD)-Zeile vermessen werden.

Die Führung des Lichts von der Lichtquelle zur Polymermatrix und von dieser zum Spektrometer kann prinzipiell in herkömmlicher Weise gestaltet werden, d. h. mit Hilfe luftgefüllter, geradliniger Kanäle, wobei eine Umlenkung ggf. mit Spie­ geln erreicht wird. Besonders bevorzugt wird im Rahmen der Erfindung aber die Führung des Lichts mit Hilfe von Lichtwellenleitern, insbesondere von Faseropti­ ken. Die Verwendung von Lichtwellenleitern, die aus Fasern aufgebaut sind, und der Einsatz von eigenen Sensoren, in denen die Farbstoff enthaltende Polymer­ matrix untergebracht ist, ermöglichen erst die räumliche Trennung von Meßort und Signalverarbeitung in der Praxis. Vorzugsweise werden als Lichtwellenleiter solche aus Quarzglasfasern oder aus Fasern organischer Polymere verwendet. Die letzteren werden besonders bevorzugt, wenn hohe Biegsamkeit und Korro­ sionsbeständigkeit gegen alkalische Materialien gefordert werden. Ansonsten werden die üblichen Fachkenntnisse der Faseroptik ausgenutzt:
Das Licht der Lichtquelle wird vorzugsweise über eine Fokussieroptik in den Lichtwellenleiter eingekoppelt, der zur Polymermatrix hinführt. Als Fokussieroptik können beispielsweise sogenannte Faserkollimatoren oder Gradientenindexlin­ sen dienen. Die als Lichtwellenleiter dienenden Fasern oder Faserbündel müs­ sen nicht durchgehend verlegt werden, sondern können an geeigneter Stelle unterbrochen werden und durch Faserkoppler für die Messung verbunden wer­ den. Am Ende des Lichtwellenleiters befindet sich die Polymermatrix, vorzugs­ weise in einem Sensor integriert.

Zur Durchführung der Messung ist es grundsätzlich möglich, das Licht aus einem Lichtleiter in die Polymermatrix eintreten zu lassen und das emittierte Fluores­ zenzlicht in jeder Richtung mit einem zweiten Lichtleiter abzunehmen. Vorzugs­ weise wird dieser zweite Lichtleiter aber im rechten Winkel zum ersten Lichtleiter von der Polymermatrix weggeführt. Vorteilhafter ist es, den erfindungsgemäß verwendeten Sensor so zu gestalten, dass das vom Farbstoff emittierte Fluores­ zenzlicht wieder in dasselbe Lichtleiterkabel zurückgeworfen wird. Auf diese Weise kommt man für Hin- und Rückleitung mit nur einem Lichtkabel am Sensor aus. Das von der Polymermatrix zurückkommende Licht wird dann aus diesem Lichtwellenleiter mit Hilfe eines an sich bekannten Y-Kopplers zumindest an­ teilsweise ausgekoppelt und über ein abzweigendes Lichtleiterkabel zum Spektrometer geführt. Ein unmittelbarer Übergang des von der Lichtquelle kommen­ den Lichts zum Spektrometer wird durch den Y-Koppler verhindert.

Im erfindungsgemäßen Verfahren bietet die Verwendung von Fluoreszenzfarb­ stoffen einige wesentliche Vorteile gegenüber der Verwendung von Farbstoffen, die nur eine solvatochrome Absorptionsbande aufweisen. Die entscheidenden Banden des Fluoreszenzspektrums sind auch bei Einsatz der Farbstoffe in der Polymermatrix deutlich schmaler als die Banden des Absorptionsspektrums. Da­ durch ist die Bestimmung der Lage des Maximums der Fluoreszenzbande bei gleicher Auflösung des Spektrometers wesentlich genauer als die einer Absorp­ tionsbande. Da bei Fluoreszenzfarbstoffen die Anregung in der Regel im Ultra­ violettbereich erfolgt, das Fluoreszenzlicht aber im sichtbaren Spektralbereich abgegeben wird, haben Dämpfungen, die bei einigen Lichtleiterkabeln auftreten, keinen Einfluß auf das zu messende Fluoreszenzspektrum. Bei Absorptionsmes­ sungen, die an die Verwendung von Weißlicht gebunden sind, können die Dämpfungen des Lichtleiterkabels unter ungünstigen Umständen dazu führen, dass zur Aufnahme des Spektrums und der Bestimmung der genauen Banden­ lage eine Referenzmessung durchgeführt werden muß, um den spektralen Ein­ fluß der gesamten Meßanordnung berücksichtigen zu können.

Der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Sensor ist auch ein eigener Gegenstand der Erfindung. Er weist als wesentlichen Bestandteil die von außen zugängliche wasserunlösliche Polymermatrix auf, die ihrerseits den solvato­ chromen Farbstoff enthält, in dessen Spektrum wenigstens eine Fluoreszenz­ bande in ihrer spektralen Lage vom Feuchtigkeitsgehalt der Matrix beeinflußt wird. Der Sensor ist so ausgebildet, dass er mit mindestens einem Lichtwellen­ leiter so verbunden werden kann oder fest verbunden ist, dass über diesen Lichtwellenleiter das Licht der externen Lichtquelle in die Polymermatrix einge­ strahlt werden kann und dass über diesen oder einen weiteren Lichtwellenleiter das aus der Matrix austretende Licht wenigstens anteilsweise einem Spektrometer zugeleitet werden kann. Der Sensor stellt damit im wesentlichen einen Halter sowohl für die Polymermatrix als auch für den oder die Lichtwellenleiter dar. Ist der Sensor nicht fest mit den Lichtwellenleitern verbunden, so enthält er einen oder mehrere geeignete Koppler für die als Lichtwellenleiter verwendeten Fasern oder Faserbündel.

Üblicherweise hat der Sensor die Form eines ein- oder mehrteiligen Gehäuses, das die Polymermatrix aber nur soweit umschließt, dass ein ausreichender Feuchtigkeitsübertritt von dem zu untersuchenden Material in die Polymermatrix möglich ist. Üblicherweise enthält das Sensorgehäuse daher ein oder mehrere Fenster, die die Zugänglichkeit der Polymermatrix gewährleisten. Das Sensorge­ häuse dient nicht zuletzt dem mechanischen Schutz der Polymermatrix und ist daher vorzugsweise aus hartem, widerstandsfähigem Material gefertigt. In einfa­ cheren Fällen eignen sich hier ausreichend feste Kunststoffe; vorzugsweise wer­ den aber Metalle, insbesondere Edelstähle, verwendet. Je nach Einsatzbereich ist auf eine ausreichende Korrosionsfestigkeit des Gehäusematerials zu achten. Wenn nötig, kann bei Einsatz in besonders aggressiven Medien die Polymerma­ trix durch eine widerstandsfähige, für Wasserdampf durchlässige Membran ge­ schützt werden, die das oder die Fenster im Polymergehäuse verschließt.

In einer besonderen Ausführungsform ist der Sensor mit einer oder auch mehre­ ren reflektierenden Flächen versehen, die so angeordnet sind, dass einge­ strahltes Licht und aus der Polymermatrix austretendes Licht am Sensor mit nur einem Lichtwellenleiter übertragen werden können. Dabei kann es vorteilhaft sein, die reflektierenden Flächen so anzuordnen, dass eine mehrfache Durch­ strahlung der Polymermatrix stattfindet bevor das Licht wieder in den Lichtwel­ lenleiter eintritt.

Eine für das erfindungsgemäße Verfahren in vielen Fällen sehr gut geeignete Ausführungsform eines Sensors ist in Abb. 1 schematisch wiedergegeben.

Das Gehäuse des Sensors besteht aus einem quaderförmigen Gehäuse (2) aus Edelstahl, das eine durchgehende vertikale gebohrte Öffnung (3) aufweist. Durch eine radial auf diese Öffnung (3) geführte Bohrung wird der Lichtwellenleiter (1) bis an den äu­ ßeren Rand der Öffnung (3) geführt. Er ist mit dem Gehäuse (2) in geeigneter Weise, beispielsweise durch Verkleben, fest verbunden. Der durch die Öffnung (3) gebildete Hohlraum ist mit der Polymermatrix, die den solvatochromen Farb­ stoff enthält, ausgefüllt. Die in der Abb. 1 weiterhin gezeigte Nut (4) dient der Befestigung des Sensors und kann fehlen, wenn eine Befestigung nicht not­ wendig ist oder in anderer Weise vorgenommen wird.

Im Betrieb wird diesem Sensor das Licht der Lichtquelle durch den Lichtwellen­ leiter (1) zugeführt. Das Licht passiert die in der Öffnung (3) befindliche Poly­ mermatrix und wird von den spiegelnd ausgeführten Innenflächen der zylindri­ schen Öffnung (3) zum Teil mehrfach reflektiert. Das in der Matrix entstehende Fluoreszenzlicht tritt zumindest anteilig in den Lichtwellenleiter (1) ein und wird von diesem nach Aufspaltung in einem Y-Koppler zum Spektrometer transpor­ tiert.

Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform des Sensors ist die ge­ mäß Anspruch 8. Eine Variante dieser Ausführung ist in Abb. 2 schema­ tisch wiedergegeben. Hier besteht das Sensorgehäuse aus zwei Teilen, dem Gegenstück (9) und dem Rumpf (8), die miteinander durch die Bohrungen (10) verschraubt werden können. Der Rumpf (8) ist als Edelstahlzylinder ausgebildet, der eine axiale Bohrung (5) auf­ weist, in der der Lichtwellenleiter (6) durch den Zylinder hindurchgeführt wird, so dass seine Endfläche flächenbündig mit der Zylinderkopffläche endet. Das ebenfalls aus Edelstahl bestehende scheibenförmige Gegenstück (9) ist auf der innenliegenden Scheibenfläche spiegelnd poliert und weist neben zwei für die Schraubenbefestigung vorgesehenen Bohrungen (10) eine weitere Bohrung (11) auf, die den Feuchtigkeitszutritt zur Polymermatrix gewährleisten soll. Diese Boh­ rung (11) liegt soweit außerhalb des Mittelpunktes der Scheibe, dass ihre Fläche nach Befestigung des Gegenstücks (9) auf dem Rumpf (8) die Endfläche des Lichtwellenleiters nicht überschneidet. Die Polymermatrix (12) ist bei dieser Ausführung des Sensors als kreisförmige Folie gestaltet, die so bemessen ist, dass sowohl die Endfläche des Lichtwellenleiters als auch die Querschnittsfläche der Bohrung (11) überdeckt werden, wenn die Folie zwischen Rumpf und Ab­ deckung eingeschraubt wird. Durch geeignete Abstandshalter, die in der Zeich­ nung nicht wiedergegeben sind, wird dafür gesorgt, dass die spiegelnd ausge­ staltete Fläche des Gegenstücks (9) nach dem Verschrauben der beiden Ge­ häuseteile vollflächig auf der Polymerfolie aufliegt und der Endfläche des Licht­ wellenleiters planparallel gegenübersteht. Eine Nut (7) im Rumpf (8) dient der Befestigung des Sensors.

Im Betrieb wird auch bei dieser Ausführungsform das Licht der Lichtquelle durch den Lichtwellenleiter (6) zur Polymermatrix (12) geleitet, durchdringt diese, wird an der spiegelnd ausgeführten Innenfläche des Gegenstücks (9) reflektiert, pas­ siert nochmals die Polymermatrix und tritt dann wieder in den Lichtwellenleiter (6) ein. Gleichzeitig leitet der Lichtwellenleiter (6) das in der Polymermatrix ent­ stehende Fluoreszenzlicht zumindest anteilig zurück.

Sensoren, die wie die in Abb. 2 gezeigte Ausführungsform die Polymerma­ trix in einer Folienform enthalten, eigenen sich besonders gut für die Serienferti­ gung, da die benötigten farbstoffenthaltenden Polymerfolien leicht durch Rakeln oder Spincoaten mit reproduzierbarer Dicke in beliebiger Größe hergestellt wer­ den können. Die Fertigstellung des Sensors erfolgt dann durch einfachen Zu­ sammenbau der Einzelteile.

Das beschriebene Verfahren, die beschriebene Meßanordnung und die beschriebenen Sensoren eignen sich zur Bestimmung der Feuchte in verschiedensten Materialien, beispielsweise in Schüttgütern wie Sand, Mehl, Korn und Sägespänen, zur Bestimmung der Feuchte im Erdboden, zur Bestimmung des Wassergehalts organischer Flüssigkeiten und zur Bestimmung der relativen Luftfeuchte. Mit besonderem Vorteil werden sie zur Feuchtebestim­ mung in porösen Baustoffen, insbesondere in Beton, eingesetzt. Die äußerst wi­ derstandsfähigen Sensoren können in den Beton während des Konstruktions­ vorgangs eingegossen werden und liefern wenn nötig jahrelang Meßdaten über die Feuchtigkeit im Innern des Betonbauteils. Auf diese Weise kann einerseits einer vorzeitigen Austrocknung des Betons während des Aushärtevorgangs vor­ gebeugt werden, andererseits kann später aufsteigende Feuchtigkeit, z. B. in un­ genügend abgedichteten Fundamenten oder bei unzureichender Dichtigkeit ge­ gen Witterungseinflüsse erkannt werden. Dadurch können rechtzeitig Gegen­ maßnahmen eingeleitet werden, um zu verhindern, dass mit dem Porenwasser Schadstoffe in den Beton eingetragen werden, die zur Korrosion von Beton und Stahlarmierung führen. Die mit dem beschriebenen Verfahren mögliche meßtechnische Erfassung des Feuchtegehalts von Bauwerksbeton ist deshalb von weitreichender Bedeutung für die Bauwerksüberwachung.

Beispiele 1. Sensorgehäuse gemäß Abb. 1

Aus einem Block V2A-Stahl wurde ein Sensorgehäuse entsprechend Abb. 1 mit folgenden Abmessungen hergestellt: Länge 30 mm, Breite 10 mm, Höhe 8 mm. Der Durchmesser der gebohrten Öffnung (3) betrug 2 mm. Die Nut (4) hatte eine Tiefe von 3 mm und eine Breite von 2 mm. Über die radial auf die Öffnung (3) treffende Bohrung wurde als Lichtwellenleiter eine Standardfaser der Firma Harting (Espekamp), deren Kern aus Polymethylmethacrylat be­ stand, mit Hilfe eines 2-Komponenten-Klebers eingeklebt. Der Lichtwellen­ leiter hatte die Bezeichnung LWL-Kabel POF Simplex 2.2.

2. Sensorgehäuse gemäß Abb. 2

Auch dieses Sensorgehäuse wurde in seinen Teilen aus massivem V2A- Stahl hergestellt. Der Durchmesser des Rumpfes (8) betrug 20 mm, seine Länge 43 mm. Das Gegenstück (9) hatte einen Durchmesser von 20 mm und eine Dicke von 3 mm. Die Bohrung (5) zur Aufnahme des Lichtwellenleiters hatte einen Durchmesser von 2 mm. Der Durchmesser der Bohrung (11) lag bei 6 mm, die Nut (7) hatte eine Breite von 2 mm und eine Tiefe von 1,5 mm. Auch hier wurde das Lichtwellenleiterkabel POF Simplex 2.2 verwendet und in die Bohrung (5) so eingeklebt, dass seine Endfläche bündig mit der End­ fläche des Rumpfes (8) zu liegen kam. Zusätzlich wurde hier das Lichtwel­ lenleiterkabel am Rumpf (8) mit einem Schrumpfschlauch befestigt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Feuchtebestimmung, bei dem
das Material, dessen Feuchte bestimmt werden soll, mit einer wasserunlösli­ chen Polymermatrix in Verbindung gebracht wird, die einen Farbstoff enthält, der wenigstens eine Fluoreszenzbande aufweist, deren spektrale Lage vom Feuchtigkeitsgehalt der Matrix beeinflußt wird,
die Lage dieser Bande nach Ausgleich des Feuchtigkeitsgehalts zwischen Polymermatrix und Material mit Hilfe einer geeigneten Lichtquelle und eines geeigneten Spektrometers ermittelt wird und
der Feuchtegehalt anhand einer Kalibrierkurve aus der Bandenlage bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Polymere, aus dem die Polymer­ matrix gebildet wird, aus der Gruppe Celluloseacetat, Celluloseacetatbutyrat, Polymethacrylnitril, Polyamid, 4-Vinylpyridin-Styrol-Copolymer und Mischun­ gen dieser Polymere ausgewählt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als Fluoreszenzfarbstoff 5-Amino- 2-methyl-1,3-isoindolindion verwendet wird.

4. Sensor zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der eine von außen zugängliche wasserunlösliche Polymermatrix aufweist, die einen Farbstoff enthält, in dessen Spektrum wenigstens eine Fluores­ zenzbande in ihrer spektralen Lage vom Feuchtigkeitsgehalt der Matrix be­ einflußt wird, und der mit mindestens einem Lichtwellenleiter so verbunden werden kann, dass über diesen Lichtwellenleiter Licht einer externen Licht­ quelle in die Polymermatrix eingestrahlt werden kann und dass über diesen oder einen weiteren Lichtwellenleiter das aus der Matrix austretende Fluoreszenzlicht wenigstens anteilsweise einem Spektrometer zugeleitet werden kann.

5. Sensor nach Anspruch 4, der wenigstens eine reflektierende Fläche in einer solchen Anordnung enthält, dass eingestrahltes Licht und aus der Polymer­ matrix austretendes Licht am Sensor mit nur einem Lichtwellenleiter übertra­ gen werden können.

6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Polymer, aus dem die Poly­ mermatrix gebildet wird, aus der Gruppe Celluloseacetat, Celluloseacetatbu­ tyrat, Polymethacrylnitril, Polyamid, 4-Vinylpyridin-Styrol-Copolymer und Mi­ schungen dieser Polymere ausgewählt ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem als Fluoreszenzfarbstoff 5-Amino-2-methyl-1,3-isoindolindion verwendet wird.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bestehend aus einem Rumpf, der als Aufnehmer für den Lichtwellenleiter dient und der eine ebene Fläche auf­ weist, in der der Lichtwellenleiter rechtwinklig und mit seiner Endfläche flä­ chenbündig endet, einer als Folie ausgebildeten Polymermatrix, die auf der ebenen Fläche des Rumpfes aufliegt und die Endfläche des Lichtwellenleiters abdeckt, und einem als ebener optischer Spiegel ausgebildeten Gegenstück, das so mit dem Rumpf verbunden ist, dass die Spiegelfläche auf der als Folie ausgebildeten Polymermatrix aufliegt und der Endfläche des Lichtwellenlei­ ters planparallel gegenübersteht, wobei das Gegenstück mindestens eine Öffnung aufweist, durch die die Polymermatrix für die Feuchte der Umgebung zugänglich ist.

9. Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend im wesentlichen aus
einem Sensor gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8,
einer Lichtquelle,
einem Spektrometer und
wenigstens einem Lichtwellenleiter, der so angeordnet ist, dass Licht der Lichtquelle in die Polymermatrix des Sensors geleitet wird und das aus der Polymermatrix austretende Licht wenigstens anteilsweise an das Spektrometer gelangt.

10. Meßanordnung nach Anspruch 9, bei der als Lichtwellenleiter Faserkabel, vorzugsweise Glasfaserkabel oder Kabel aus Fasern organischer Polymere, vorzugsweise aus Polymethylmethacrylat, verwendet werden.