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.
Sensor element for moisture meter
The present invention relates to a sensing element for moisture meters.
Sensor elements for moisture meters have already become known in which an electrical current is passed through the sensor element and the change in electrical conductivity as a function of the humidity of a substance surrounding the sensor element, preferably a gas, is measured, the sensor element containing a hygroscopic material.
For example, the prior art includes a sensor element for a moisture meter, which is provided with a layer of hygroscopic vinyl-based material with pure, highly soluble inorganic salt, the water absorption reversibly depending on the relative humidity of the gas surrounding the element and the vinyl-based material a polyvinyl alcohol to which an inorganic salt, e.g. B.
Ammonium chloride, is added.
The prior art also includes a moisture meter which operates on the basis of lithium chloride and has a sensor heated by alternating current, in which the frequency of the alternating current supplied to the lithium chloride sensor is a multiple of the usual mains frequency. This known device is designed as a dew point measuring device.
Furthermore, a moisture indicator has become known which has a uniform mass of water-insoluble polymeric electrolyte in which ionically active groups are contained in sufficient concentration, which have the ability to easily absorb water and in this way a physical change in the electrolyte with respect to the To cause the ratio of the amount of water absorbed to the electrolyte.
However, the known devices are still affected by sharing. In the known devices, for example, there is the difficulty of achieving a high time constant.
Disadvantages of the devices are shifting of layers, evaporation of the electrolyte, which is favored by the thin electrolytic film when the air or heat is moving, and the fact that the hygroscopicity of the electrolyte serves solely to compensate for the vapor pressure and is changed by ongoing shifting of layers.
The present invention aims to create a sensor element for moisture meters, which avoids the aforementioned disadvantages, which is achieved according to the invention in that it contains a carrier element made of glass, ceramic material or plastic in the form of a tube or disk for the electrolyte substance Crater system roughened surface is coated with a layer of crystalline material, which has capillary passages, and that furthermore the carrier element is equipped with surface electrodes and the electrolyte substance adheres to the roughened walls.
With this device it should now be possible to achieve a stable humidity display in the range of 2 to 98 e relative humidity. Another advantage can be seen in the fact that the capillary system can give the crystalline layer a possibility of storing the water absorbed from the air or the water absorbed from the equilibrium moisture content, whereby a disadvantageous shift of the layer can be prevented.
Furthermore, the substance adhering to the roughened walls for the formation of the electrolyte can now be protected from external influences and the desired high temporal constancy can thus be achieved.
The electrolytic measurement methods using lithium chloride and taking advantage of the hygroscopicity of this substance are disadvantageously limited in the lower range, since the absorption capacity of water is extinguished below the range of 10% relative humidity. By now using a very fine capillary system, the advantage can be achieved that the measuring range is extended from 10% to 2% relative humidity.
The measures also make it possible to manufacture the sensor element in series production with great accuracy, whereby - if this is desired - the dimensions of the sensor element can be reduced so that the temperature exchange of the carrier runs approximately parallel to the display time, i.e. H. the humidity is measured in a fraction of a second and can be read on a scale. This method of measurement can be particularly advantageous if, for example in meteorology, changes in humidity have to be registered in rapid succession.
For example, embodiments of the subject matter of the invention are to be explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 is a section through the sensing element,
Fig. 2 greatly enlarged the carrier element with the crater system,
3 shows the gold electrode arrangement located on the carrier element in plan view and FIG
FIG. 4 shows the combination of the sensor element according to FIG. 1 with an electrical measuring device.
In all figures, the same elements have been given the same reference symbols.
According to the preferred embodiment according to FIG. 1, the sensor element for moisture meters consists of an outer cylindrical housing 1, the wall of which consists partly of an exchangeable stainless steel filter 2 that is permeable to moist air, the probe tube 3, which leads to the balancing device inner housing 4, the wall of which also consists at least in part of a steel filter permeable to moist air, with a gold-plated screw 5 being arranged as a ground electrode on the end wall of the inner housing 4, a glass tube 6 which serves as a carrier element for the so-called hygrometer probe, and a semiconductor element 7, which is used to compensate for the temperature of the electrolyte.
The reference numerals 13a and 13b denote preferably gold-plated connection caps for the electrode arrangement of the glass carrier, which ensure a corrosion-resistant contact.
The housing 1 carrying the steel filter 2 consists of an electrical insulator material, preferably of polytetrafluoroethylene.
In Fig. 2 the core of the sensor element for moisture meters is now shown; it consists of the glass tube 6, the surface of which is so rough that a crater system 6a is present. The roughened walls are covered with the electrolyte substance, for example with a mixture of lithium chloride and silver nitrate in a weight ratio of 1: 9. This electrolyte layer is provided with the reference number 8.
A crystal layer 9, preferably about 0.1 mm thick, is arranged above the crater system 6a and consists, for example, of a mixture of CaSO4 Vo H; O and seignette salt. This crystal layer is now particularly characterized by the fact that it has fine passages that can be referred to as capillaries. These capillary passages have the dual function of protecting the underlying electrolyte layer as well as attracting moisture from the air and passing it on to the electrolyte layer, which is arranged on the roughened surface of the carrier element. The adhesive forces of the capillary passages play an important role here.
A particular advantage here is that it is no longer necessary to use a hygroscopic material as the electrolyte, as was previously the case. In addition, the crater system also has a great mechanical protective effect with regard to the electrolyte substance, i. H. thanks to the fact that it adheres to the crater walls, it is protected against vibrations and disturbing air inflows.
The glass tube 6, which is aptly referred to as the carrier element for the hygrometer probe, has, for example, in the manner shown in FIG. 3, two surface electrodes 9a and 9b, which, as shown in FIG. 3, can interlock side by side.
These surface gold electrodes consist of a very thin gold coating on the glass substrate. The electrolytic conduction processes take place between these electrodes, which are more intensive or less intensive depending on the degree of moisture that has entered and, through their electrical determination, a measure of the existing ambient humidity is determined.
Since the moisture measurement carried out with the device described above, using the principle of changing the electrical conductivity of electrolytes, depends not only on the moisture but also on the temperature, the semiconductor element 7 is arranged in the glass tube 6, which serves to compensate the temperature of the electrolyte. This compensation, which is of great importance for measuring the humidity, takes place via a so-called NTC resistor. H. one with a negative temperature coefficient (= NTC semiconductor).
As is well known, relative humidity is a function of temperature; H. In a closed room with a certain amount of water in the air, the relative humidity increases as the temperature drops. This increases the electrolytic conductivity of the electrolyte substance in the sensor element. Since, according to the embodiment of FIG. 1, the electrolyte substance of the NTC resistor is connected, in which the electrical conductivity increases when the temperature rises, the desired compensation takes place, ie. H. As the temperature of the ambient atmosphere containing moisture drops, the conductivity of the electrolyte substance increases, but the conductivity of the NTC resistor drops. The desired quantitative compensation is achieved by calibrating these two phenomena, which is known per se.
When the NTC resistor is switched on, the sensor element according to the invention for moisture meters is used to measure the absolute humidity exactly at every temperature, since the temperature dependency of the conductivity of the electrolyte substance is switched off.
If, on the other hand, the relative humidity is to be measured, the measured value of which includes the temperature dependence of the electrolyte substance, the NTC resistor is switched off.
The sensing element can be in two forms. To determine the relative humidity, the NTC semiconductor is used solely to compensate for the temperature and efficiency of the electrolyte substance (= embodiment I). To determine the absolute humidity and the material equilibrium humidity, the NTC semiconductor is also used to eliminate the temperature effect of the relative humidity (= embodiment II).
Both embodiments can also be present together in a moisture meter, the; Switching takes place in a manner known per se.
The sensor element with the probe tube 3 is connected to the electrical measuring device 11 via the electrical cable 10. With a handle is designated.
The sensing element is preferably operated with alternating current, but it also works with direct current.
The larger the conductive surfaces of the electrodes, which are preferably gold electrodes 9a and 9b, the stronger the desired effect.
The carrier body 6 preferably consists of a glass tube, but it can also consist of a ceramic body or a plastic body which has the surface design shown in FIG. 2 or an analogous one.
The glass body 6 is preferably hollow, since this firstly results in a mass saving for the purpose of more rapid temperature equalization or more rapid temperature equalization and, secondly, the NTC resistor for temperature compensation of the so-called transmitter is preferably located inside the glass body.
The electrolyte substance itself adheres firmly to the walls with the crater system 6a due to adhesion.
As a result of the arrangement of the semiconductor 7 as a compensation resistor in the measuring range, i. H. In the area of moisture detection, the display of the relative or absolute moisture can be set by arranging a switch on the measuring device 11. This switch switches on the semiconductor according to a resistance measuring bridge, in which the resistance of the sensor element is connected at the same time. The resistance measuring bridge is connected in a manner known per se to an electrical switching arrangement which converts the adjustment changes of the bridge into measured values and transmits these to a display element.
The embodiment of the sensor element shown in FIG. 1 is primarily used to measure the humidity of gases, for example air. To measure the material moisture, however, the sensor element can be used accordingly. So is z. B. in Fig. 4 shows a pointed probe shape, which is very suitable for measuring the moisture of granular and powdery substances ge. To measure the surface moisture or the material equilibrium moisture, an embodiment with a large contact surface can be selected, which improves the measuring effect.