DE102018113671B4 - Method for determining the moisture content of a moisture-absorbing material - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung des Feuchtegehalts eines Feuchtigkeit aufnehmenden Materials (8) mit einem ein Heizelement (3) umfassenden Feuchtigkeitssensor (1), der mit einer Steuereinheit (5) und einer Auswerteschaltung (6) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zeitliche Steuerung und Analyse der Temperaturänderung des Heizelementes (3) unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wärmepulses im Material (8) sowie der unterschiedlichen Temperatureffekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten je nach Feuchtegehalt ein Abstand zu dem Heizelement (3) in dem der Feuchtegehalt gemessen wird beeinflusst wird, um eine Feuchte in dünnen Schichten zu bestimmen wobei ein Kontakt zu dem zu untersuchenden Material (8) zur Erfassung der Feuchte ausreichend gut ist.

Figure DE102018113671B4_0000
Method for determining the moisture content of a moisture-absorbing material (8) with a moisture sensor (1) comprising a heating element (3), which is coupled to a control unit (5) and an evaluation circuit (6), characterized in that the time control and Analysis of the temperature change of the heating element (3) using the finite propagation speed of the heat pulse in the material (8) as well as the different temperature effects due to the different heat capacities depending on the moisture content a distance to the heating element (3) in which the moisture content is measured is influenced by a To determine moisture in thin layers, contact with the material to be examined (8) being sufficiently good to detect the moisture.
Figure DE102018113671B4_0000

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Feuchtegehalts eines Feuchtigkeit aufnehmenden oder Feuchtigkeit enthaltenden Materials mit einem ein Heizelement umfassenden Feuchtigkeitssensor, der mit einer Steuereinheit, einer Energieversorgung und einer Auswerteschaltung gekoppelt ist.The invention relates to a method for determining the moisture content of a moisture-absorbing or moisture-containing material with a moisture sensor comprising a heating element, which is coupled to a control unit, a power supply and an evaluation circuit.

In vielen technischen Anwendungsbereichen ist die Kenntnis bezüglich des Feuchtegehalts von Materialien wichtig und wird gemessen, wobei sich die Messung in relativ dünnen Materialschichten häufig als problematisch erweist.In many technical fields of application, knowledge of the moisture content of materials is important and is measured, whereby the measurement in relatively thin material layers often proves to be problematic.

In der Literatur beispielsweise in „Materialfeuchtemessung: Grundlagen - Messverfahren - Applikationen - Normen, Kontakt & Studium, Band 513, Klaus Kupfer, Expert-Verlag, 1997‟ sind eine Vielzahl von Messmethoden für unterschiedliche Verwendungszwecke beschrieben, wobei häufig Methoden der Bau- und Bodenfeuchtemessung erläutert sind, die die Gemeinsamkeit aufweisen, dass relativ große Bereiche vermessen werden und eine lokale Abgrenzung oftmals nicht möglich ist. Besondere Anforderungen beispielsweise körpernaher Messungen werden mit den bekannten Methoden nur unzureichend erfüllt.In the literature, for example, in "Material moisture measurement: Fundamentals - Measurement methods - Applications - Standards, contact & studies, Volume 513, Klaus Kupfer, Expert-Verlag, 1997" A large number of measurement methods for different purposes are described, whereby methods of building and soil moisture measurement are often explained, which have the common feature that relatively large areas are measured and a local delimitation is often not possible. Special requirements, for example measurements close to the body, are only insufficiently met with the known methods.

Mit der gravimetrischen Methode ist eine Messung des Wassergehalts eines Materials möglich, bei der das Trockengewicht des Materials mit dessen Feuchtgewicht verglichen wird. Hierzu wird dem zu untersuchenden Material eine Probe entnommen und gegebenenfalls getrocknet, wobei sich die Probenentnahme in einigen Fällen schwierig gestaltet, da es nicht immer möglich ist, aus einem Gesamtsystem eine Probe herauszutrennen. Eine kontinuierliche Messung des Wassergehalts ist nahezu unmöglich, wobei Messergebnisse nicht den tatsächlichen Wassergehalt angeben, wenn die Probe nicht zeitnah gewogen werden kann, da ein Teil der in dem Material der Probe aufgenommenen Feuchtigkeit verdunstet. Gravimetrische Methoden sind beispielsweise in der US 4 316 384 A1 , US 4 666 007 A1 , US 4 750 143 A1 , US 4 798 252 A1 und US 4 889 201 A1 angegeben.The gravimetric method enables the water content of a material to be measured by comparing the dry weight of the material with its wet weight. For this purpose, a sample is taken from the material to be examined and, if necessary, dried, whereby the sampling turns out to be difficult in some cases, since it is not always possible to separate a sample from an overall system. A continuous measurement of the water content is almost impossible, with measurement results not indicating the actual water content if the sample cannot be weighed promptly, since part of the moisture absorbed in the material of the sample evaporates. Gravimetric methods are for example in the U.S. 4,316,384 A1 , U.S. 4,666,007 A1 , U.S. 4,750,143 A1 , U.S. 4,798,252 A1 and U.S. 4,889,201 A1 specified.

Im Weiteren sind elektrische Methoden, insbesondere die elektrische Widerstandsmessung und die Kapazitätsmessung, zur Bestimmung des Wassergehalts in einem Material beispielsweise aus der US 5 402 075 A1 , US 6 647 782 B2 , US 6 222 376 B1 und der US 5 861 758 A1 bekannt. Hierbei werden Elektroden im oder am zu untersuchenden Material angeordnet und das elektrische Messsignal bzw. elektrische Messwerte zur Auswertung erfasst. Diese Methoden eignen sich grundsätzlich zur Verwendung im Zusammenhang mit relativ dünnen Materialschichten, allerdings erweist sich die Beeinflussung der Messwerte durch ionische Verunreinigungen oder parasitäre oft zeitlich veränderliche Kapazitäten, wie sie beispielsweise bei körpernahen Messungen auftreten, als nachteilig.Furthermore, electrical methods, in particular electrical resistance measurement and capacitance measurement, are used to determine the water content in a material, for example from the US 5,402,075 A1 , US 6 647 782 B2 , US 6,222,376 B1 and the U.S. 5,861,758 A1 known. Here, electrodes are arranged in or on the material to be examined and the electrical measurement signal or electrical measurement values are recorded for evaluation. These methods are basically suitable for use in connection with relatively thin material layers, but the influence of the measured values by ionic impurities or parasitic, often time-varying capacitances, such as occur, for example, in measurements close to the body, proves to be disadvantageous.

Bei thermischen Messmethoden wird die Materialfeuchte aufgrund der sich mit dem Wassergehalt ändernden thermischen Eigenschaften wie zum Beispiel die Wärmleitfähigkeit oder Wärmekapazität bestimmt, wobei diese Messmethoden in der Praxis wenig störanfällig sind und ihre Hauptanwendung im Bausektor liegt.In thermal measurement methods, the material moisture is determined on the basis of the thermal properties that change with the water content, such as thermal conductivity or heat capacity, whereby these measurement methods are less prone to interference in practice and their main application is in the construction sector.

Die EP 1 844 323 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchtigkeit in einem Medium, insbesondere Erde, auf Basis einer thermischen Messung. Die Vorrichtung weist mindestens einen Messfühler auf, der aus einem Temperatursensor und einem Mittel zum Erwärmen des Temperatursensors besteht. Im Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Auswerteelektronik und eine Steuereinheit, die der Erwärmung des beheizbaren Temperatursensors mit einem Heizpuls und der Bestimmung des Feuchtegehalts eines den Messfühler umgebenden Mediums dienen. Der Messfühler ist von einer Zwischenschicht aus einem saugfähigen, mechanisch deformierbaren und thermisch isolierenden Material aus synthetischen Fasern und/oder aus Filz umgeben. Eine Aussage bezüglich des räumlichen Messbereichs, der durch Variation der Form des Heizpulses und der Zeit der Messung beeinflusst wird, ist dieser Offenbarung nicht zu entnehmen.The EP 1 844 323 B1 discloses a device for determining the moisture in a medium, in particular earth, on the basis of a thermal measurement. The device has at least one measuring sensor, which consists of a temperature sensor and a means for heating the temperature sensor. Furthermore, the device comprises evaluation electronics and a control unit, which are used to heat the heatable temperature sensor with a heating pulse and to determine the moisture content of a medium surrounding the measuring sensor. The sensor is surrounded by an intermediate layer made of an absorbent, mechanically deformable and thermally insulating material made of synthetic fibers and / or felt. A statement regarding the spatial measurement area, which is influenced by varying the shape of the heating pulse and the time of the measurement, cannot be inferred from this disclosure.

Aus der EP 0 981 737 A1 ist ein Sensor zur Bestimmung des Feuchtegehalts bekannt, der vorzugsweise als Mikrosystem in Silizium-Technologie hergestellt ist und eine entweder dauerhaft oder mittels eines kurzen Pulses beheizbare Membran mit einem ersten Temperatursensor sowie einen von der Membran thermisch isolierten zweiten Temperatursensor zur Bestimmung der Umgebungstemperatur umfasst. Auf der Membran ist ein saugfähiges Material beispielsweise Holz, Papier, Karton oder eine poröse Keramik angeordnet. Die beim Heizen der Membran entstehende Wärme wird durch das saugfähige Material an die Umgebung abgeleitet. Die Differenztemperatur zwischen den beiden Temperatursensoren stellt einen Referenzwert für die Materialfeuchte dar. Durch die Erwärmung mittels eines Heizpulses ist zwar der Energiebedarf minimiert allerdings ist keine räumliche Eingrenzung des Messbereichs möglich.From the EP 0 981 737 A1 a sensor for determining the moisture content is known, which is preferably manufactured as a microsystem in silicon technology and comprises a membrane with a first temperature sensor, which can be heated either permanently or by means of a short pulse, and a second temperature sensor, thermally insulated from the membrane, for determining the ambient temperature. An absorbent material, for example wood, paper, cardboard or a porous ceramic, is arranged on the membrane. The heat generated when the membrane is heated is dissipated to the environment through the absorbent material. The difference in temperature between the two temperature sensors represents a reference value for the material moisture. Heating by means of a heating pulse minimizes the energy requirement, but it is not possible to limit the measuring range.

Die US 3 550 439 A1 beschreibt ein so genanntes Bekleidungs-Hygrometer mit dem ein Feuchtegehalt von Textilien bestimmbar ist, wobei eine einem Kondensator ähnliche Struktur und ein hygroskopisches Material zum Einsatz kommen. Der Feuchtegehalt wird ohne Wärmepuls mittels einer elektrischen Kapazitätsmessung bestimmt.The US 3,550,439 A1 describes a so-called clothing hygrometer with which the moisture content of textiles can be determined, using a structure similar to a capacitor and a hygroscopic material. Of the The moisture content is determined without a heat pulse by means of an electrical capacitance measurement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die eine Aussage bezüglich eines Feuchtegehalts in einem Feuchtigkeit aufnehmenden oder Feuchtigkeit enthaltenden Material ermöglichen, wobei der räumliche Messbereich variierbar ist und der Feuchtegehalt in einer dünnen Materialschicht bzw. in unmittelbarer Umgebung des Feuchtigkeitssensors messbar ist und wobei der räumliche Messbereich nicht durch eine körperliche Barriere, d. h. nicht aufgrund des Einflusses eines Umgebungsmaterials, beeinflusst wird.The invention is based on the object of creating a method and a device of the type mentioned at the outset which enable a statement to be made regarding a moisture content in a moisture-absorbing or moisture-containing material, the spatial measuring range being variable and the moisture content being thin Material layer or in the immediate vicinity of the moisture sensor can be measured and wherein the spatial measurement area is not through a physical barrier, i. H. is not influenced by the influence of a surrounding material.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.According to the invention, the object is achieved by the features of the independent claims.

Die Unteransprüche stehen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.The subclaims represent advantageous configurations.

Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird durch die zeitliche Steuerung und Analyse der Temperaturänderung des Heizelementes unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wärmepulses im Material sowie der unterschiedlichen Temperatureffekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten je nach Feuchtegehalt der Abstand zu dem Heizelement, in dem der Feuchtegehalt gemessen wird, beeinflusst.In a method of the type mentioned above, the time control and analysis of the temperature change of the heating element using the finite speed of propagation of the heat pulse in the material and the different temperature effects due to the different heat capacities depending on the moisture content, the distance to the heating element in which the moisture content is measured , influenced.

Das Heizelement, ein Widerstandsheizelement, wird für einen kurzen definierten Zeitraum mit einem definierten elektrischen Strom zur Erwärmung beaufschlagt, wobei die Wärme durch das den Feuchtigkeitssensor umgebende Material aufgenommen und abgeleitet wird. Das Verfahren ermöglicht die Ermittlung des Feuchtegehalts in einem Material, das auch einen relativ dünnen Querschnitt aufweisen kann, beispielsweise ein Textil eines Bekleidungsstücks oder eines Schuhs oder dergleichen, mittels einer thermischen Methode, wobei die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Heizpulses und die damit einhergehende Begrenzung des Messvolumens genutzt wird. Die Temperatur des Heizelementes in Abhängigkeit von der Zeit und dem Feuchtegehalt beschreibt einen Temperaturverlauf, der zur Ermittlung des Feuchtegehalts ermittelt wird.The heating element, a resistance heating element, is subjected to a defined electrical current for heating for a short defined period of time, the heat being absorbed and dissipated by the material surrounding the moisture sensor. The method enables the determination of the moisture content in a material that can also have a relatively thin cross-section, for example a textile of a piece of clothing or a shoe or the like, by means of a thermal method, using the finite propagation speed of a heating pulse and the associated limitation of the measurement volume becomes. The temperature of the heating element as a function of time and the moisture content describes a temperature curve that is determined to determine the moisture content.

Als Messwert für die Umgebungsfeuchte kann somit die durch den definierten Heizpuls erzeugte Temperaturänderung bzw. der zeitliche Temperaturverlauf verwendet werden. Da sich die Wärme mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit in die Umgebung ausbreitet ist es möglich, den räumlichen Einflussbereich durch die Dauer des Heizpulses bzw. die Zeitpunkte der Temperaturmessungen zu definieren. Durch genaue Kontrolle des zeitlichen Ablaufs der Temperaturmessung wird das beeinflusste Messvolumen des zu untersuchenden oder zu überwachenden Materials wirksam begrenzt. Es ist weiterhin möglich durch geschickte Wahl des zeitlichen Messfensters auch gezielt Bereiche zu vermessen, die mittelbar an den Sensor grenzen, d.h. man kann die Messung auf bestimmte diskrete Schichten fokussieren, die in einem definierten Abstand vom Sensor liegen. Somit ist es möglich, den Wassergehalt in dünnen Schichten insbesondere von textilem Material, das bei der Fertigung von Bekleidung Verwendung findet, zu messen ohne dass die weitere Umgebung wie physikalische Barrieren das Messergebnis beeinflussen. Insbesondere ist das Verfahren geeignet, die Feuchte in dünnen Schichten zu bestimmen, deren Umgebung nicht näher definiert ist. Als Beispiel sind Textilschichten zu nennen, die in mehr oder weniger gut definiertem Kontakt zum menschlichen Körper und/oder weiteren Textilschichten und/oder zur Umgebungsluft stehen. The temperature change generated by the defined heating pulse or the temperature profile over time can thus be used as the measured value for the ambient humidity. Since the heat spreads into the environment at a finite speed, it is possible to define the spatial area of influence by the duration of the heating pulse or the times of the temperature measurements. The influenced measurement volume of the material to be examined or monitored is effectively limited by precise control of the time sequence of the temperature measurement. It is also possible, through a clever choice of the temporal measurement window, to measure areas that are indirectly adjacent to the sensor, i.e. the measurement can be focused on certain discrete layers that are at a defined distance from the sensor. It is thus possible to measure the water content in thin layers, especially of textile material that is used in the manufacture of clothing, without the additional environment such as physical barriers influencing the measurement result. In particular, the method is suitable for determining the moisture in thin layers, the surroundings of which are not defined in detail. Textile layers that are in more or less well-defined contact with the human body and / or other textile layers and / or with the ambient air are to be mentioned as an example.

Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Wärmekapazität von Wasser im Vergleich zu Luft ist die durch die Umgebung von dem Heizelement abgeführte thermische Energie stark abhängig von dem Wassergehalt in dessen Umgebung.Due to the high thermal conductivity and the high thermal capacity of water compared to air, the thermal energy dissipated from the heating element by the environment is heavily dependent on the water content in its environment.

Der Wärmestrom selbst kann während des Wärmepulses variieren, der Verlauf sollte jedoch für die einzelnen Messungen gleich sein. Es ist möglich, den gesamten Temperaturverlauf während des Heizpulses zu analysieren oder aber auch an definierten Zeitpunkten. Wichtig ist, dass die Ausbreitungsfront der Wärme zum Zeitpunkt der Messung innerhalb des gewünschten Messvolumens verbleibt bzw. der Kontakt mit der Umgebung außerhalb des gewünschten Messvolumens noch nicht auf die Messung am Sensor zurückwirken kann.The heat flow itself can vary during the heat pulse, but the course should be the same for the individual measurements. It is possible to analyze the entire temperature profile during the heating pulse or at defined times. It is important that the heat propagation front remains within the desired measurement volume at the time of measurement or that contact with the environment outside the desired measurement volume cannot yet affect the measurement on the sensor.

Das Heizelement des Feuchtigkeitssensors ist durch eine dünne elektrisch nicht leitfähige Schicht von der Umgebung geschützt.The heating element of the humidity sensor is protected from the environment by a thin, electrically non-conductive layer.

Als Temperatursensor kann das Heizelement selbst verwendet werden in dem sein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand überwacht und ausgewertet wird oder es ist ein direkt an dem Heizelement angebrachter Temperatursensor vorgesehen, der selbstverständlich ebenfalls mit der Auswerteschaltung und der Steuereinheit gekoppelt ist. Selbstverständlich kann die Steuereinheit neben Speicherelementen, Schnittstellen und CPU weitere elektronische Bauteile umfassen insbesondere auch mit Eingabe- und/oder Ausgabeeinheiten gekoppelt oder zur drahtlosen Datenübertragung ausgebildet sein. Die Energieversorgung kann stationär über ein Netzteil oder aber auch in Form einer Batterie für z.B. mobile Anwendungen oder körpernahe Anwendungen erfolgen. Durch die Wahl der Wärmepulslänge, der Intensität oder auch der Häufigkeit einer Messung kann der Energieverbrauch an die jeweilige Situation angepasst werden.The heating element itself can be used as the temperature sensor in which its temperature-dependent electrical resistance is monitored and evaluated, or a temperature sensor attached directly to the heating element is provided, which is of course also coupled to the evaluation circuit and the control unit. Of course, in addition to memory elements, interfaces and CPU, the control unit can include further electronic components, in particular also coupled to input and / or output units, or be designed for wireless data transmission. The energy supply can be stationary via a power pack or in the form of a battery for mobile applications or applications close to the body, for example. By choosing the length of the heat pulse, the intensity or the frequency of a measurement the energy consumption can be adapted to the respective situation.

Das von dem Feuchtigkeitssensor unmittelbar erfasste Messvolumen kann aus dem auf seinen Feuchtigkeitsgehalt zu untersuchenden Material bestehen. Alternativ ist es möglich, den Feuchtigkeitssensor in ein mit dem zu untersuchenden Material in engem Feuchteaustausch stehendes Referenzmaterial einzubetten. Das auf seinen Feuchtigkeitsgehalt zu untersuchende Medium kann somit z.B. ein Textil selbst sein und unmittelbar auf den Feuchtigkeitssensor wirken oder aber mittelbar über das mit dem Feuchtigkeitssensor fest verbundene und feuchteaufnehmende Referenzmaterial, das in einem Feuchteaustausch mit der Umgebung steht. Ist die Wasseraufnahme im Referenzmaterial annähernd hysteresefrei sowie schnell genug im Vergleich zu der Änderung des Wassergehaltes der Umgebung dann lässt sich der Feuchtegehalt im Referenzmaterial als Äquipotentialwert, der in der Bodenphysik oft als „Saugspannung“ bezeichnet wird, für die Umgebungsfeuchte annehmen.The measurement volume detected directly by the moisture sensor can consist of the material to be examined for its moisture content. Alternatively, it is possible to embed the moisture sensor in a reference material that is in close moisture exchange with the material to be examined. The medium to be examined for its moisture content can thus be, for example, a textile itself and act directly on the moisture sensor or indirectly via the moisture-absorbing reference material firmly connected to the moisture sensor, which is in a moisture exchange with the environment. If the water absorption in the reference material is almost hysteresis-free and fast enough compared to the change in the water content of the environment, then the moisture content in the reference material can be assumed to be an equipotential value, which in soil physics is often referred to as "suction stress" for the ambient moisture.

Der zum Heizen und zur Temperaturmessung geeignete Feuchtigkeitssensor kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden und entsprechend in die Messumgebung integriert werden. Beim Aufbau des Feuchtigkeitssensors sollte darauf geachtet werden, dass die Wärmekapazität seiner Struktur gering ist und der Kontakt zu dem zu untersuchenden Material, das auch als Messkörper bezeichnet werden kann, zur Erfassung der Feuchte ausreichend gut ist.The humidity sensor suitable for heating and temperature measurement can be implemented in different ways and integrated accordingly into the measurement environment. When setting up the moisture sensor, care should be taken to ensure that the heat capacity of its structure is low and that the contact with the material to be examined, which can also be referred to as a measuring body, is sufficiently good to detect the moisture.

Es ist möglich, eine Struktur des Feuchtigkeitssensors auf einem konventionellen Schaltungsträger z. B. einer Leiterplatte aufzubauen. Alternativ kann die Sensorstruktur auf einem flexiblen Schaltungsträger z. B. einer Folie oder einem flexiblen und dehnbaren Schaltungsträger z. B. einer dehnbaren Folie aufgebracht werden, so dass sich der Feuchtigkeitssensor eng an das zu überwachende bzw. zu untersuchende Material anschmiegen oder in das Material eingebaut werden kann z. B. in ein Textil.It is possible to have a structure of the moisture sensor on a conventional circuit carrier z. B. build a circuit board. Alternatively, the sensor structure on a flexible circuit carrier z. B. a film or a flexible and stretchable circuit carrier z. B. a stretchable film can be applied so that the moisture sensor nestle closely to the material to be monitored or examined or can be built into the material z. B. in a textile.

Bevorzugt umfasst der Feuchtigkeitssensor ein Dünnschicht-Heizelement aus Gold, das auf ein dünnes folienartiges Polyimid-Substrat aufgetragen ist. Der Wärmepuls breitet sich durch das Polyimid aus und reagiert anschließend auf die Feuchte der unmittelbaren Sensorumgebung.The moisture sensor preferably comprises a thin-film heating element made of gold, which is applied to a thin, film-like polyimide substrate. The heat pulse propagates through the polyimide and then reacts to the humidity in the immediate vicinity of the sensor.

Als weitere Option kann die Struktur auch als Faden, Faser, Draht oder als leitfähiges Garn ausgebildet sein und entsprechend in z.B. textiles Gewebe d.h. unmittelbar in Kleidung oder Schuhwerk eingebunden werden. Hierdurch können Textilien mit weitgehend integrierter Sensorstruktur aufgebaut werden, die nicht den normalen Feuchtetransport des Textils bzw. des Kleidungsstücks stören wodurch wesentliche Vorteile im Aufbau intelligenter Bekleidung erzielbar sind.As a further option, the structure can also be designed as a thread, fiber, wire or as a conductive yarn and can accordingly be integrated into e.g. textile fabric, i.e. directly into clothing or footwear. As a result, textiles can be built with largely integrated sensor structures that do not interfere with the normal moisture transport of the textile or the item of clothing, whereby significant advantages can be achieved in the construction of intelligent clothing.

Die thermische Feuchtemessmethode ist robust gegenüber vielerlei Störeinflüsse wie z.B. ionische Verunreinigungen, parasitäre Kapazitäten oder elektrische Störfelder, weshalb sie auch in einer harschen Umgebung also insbesondere realitätsnah und unter besonderer Beanspruchung durch einen Träger der Bekleidung sowie Umwelteinflüsse eingesetzt werden kann. Bei der thermischen Feuchtemessmethode handelt es sich darüber hinaus um eine zerstörungsfreie Methode, so dass der Feuchtigkeitssensor direkt am Material anwendbar ist, ohne dass eine Probe von dem Material abgetrennt werden muss. Durch den kurzen Wärmepuls oder Hitzepuls ist es möglich, den Messbereich auf einen kleinen Bereich zu beschränken. Es ist also möglich, dünne Schichten zu vermessen, ohne eine größere Beeinflussung der weiteren Umgebung hinnehmen zu müssen.The thermal moisture measurement method is robust against a variety of interfering influences such as ionic contamination, parasitic capacitances or electrical interference fields, which is why it can be used in a harsh environment, in particular realistically and under particular stress from a wearer of the clothing and environmental influences. The thermal moisture measurement method is also a non-destructive method, so that the moisture sensor can be used directly on the material without a sample having to be separated from the material. The short heat pulse or heat pulse makes it possible to limit the measuring range to a small area. It is therefore possible to measure thin layers without having to accept a major influence on the wider environment.

Im Gegensatz zu vielen anderen Messmethoden wie z. B. der kapazitiven Feuchtemessung ist die thermische Feuchtemessmethode auch in Bereichen mit sehr hoher Materialfeuchte sehr sensitiv. Wird der Feuchtigkeitssensor in Form einer fadenähnlichen Struktur in ein Textil eingearbeitet können verschiedene Messaufgaben im Bereich Sport, Gesundheit, Ambient Assisted Living (AAL) relativ einfach gelöst werden, ohne den normalen Feuchtetransport zu beeinflussen. Ebenso ist es möglich, Sensoren auf Basis von perforierten Folien aufzubauen, so dass der normale Feuchtetransport nicht behindert wird.In contrast to many other measurement methods such as B. the capacitive moisture measurement, the thermal moisture measurement method is also very sensitive in areas with very high material moisture. If the moisture sensor is incorporated into a textile in the form of a thread-like structure, various measurement tasks in the areas of sport, health, ambient assisted living (AAL) can be solved relatively easily without affecting normal moisture transport. It is also possible to build sensors based on perforated foils so that normal moisture transport is not hindered.

Aufgrund der robusten Arbeitsweise des Messprinzips ist der Feuchtigkeitssensor in körpernah getragenen Systemen verwendbar beispielsweise in tragbaren Elektronikgeräten (Wearables) oder direkt in Textilien bzw. Bekleidung insbesondere Funktions- oder Schutzbekleidung, um das Feuchteklima zu quantifizieren oder aber auch Ventilationssysteme aktiv zu steuern. Durch die sehr kurzen Heizpulse sind energiesparende kleine Systeme möglich. Die Ventilationssysteme selbst können aktiver oder passiver Natur sein z.B. Klappen oder Ventilatoren.Due to the robust operation of the measuring principle, the moisture sensor can be used in systems worn close to the body, for example in portable electronic devices (wearables) or directly in textiles or clothing, in particular functional or protective clothing, in order to quantify the humidity climate or to actively control ventilation systems. The very short heating pulses make energy-saving small systems possible. The ventilation systems themselves can be of an active or passive nature, e.g. flaps or fans.

Wesentlich ist die Möglichkeit der Steuerung des Abstandes vom Heizelement, in dem die Messung des Feuchtegehaltes erfolgt. Dies geschieht über die zeitliche Steuerung des Heizpulses und unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wärmepulses im Material sowie der unterschiedlichen Temperatureffekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten je nach Feuchtegehalt.What is essential is the ability to control the distance from the heating element at which the moisture content is measured. This is done via the time control of the heating pulse and using the finite speed of propagation of the heat pulse in the material as well as the different temperature effects due to the different heat capacities depending on the moisture content.

Im einfachsten Fall kann man den räumlichen Messbereich begrenzen, so dass die Messung auf eine dünne Schicht um den Feuchtigkeitssensor begrenzt werden kann. Möglich ist auch eine Analyse von über die Laufzeit des Wärmepulses definierten Schichten in einem gewissen Abstand vom Heizelement.In the simplest case, you can limit the spatial measurement area, so that the measurement is based on a thin layer can be limited around the humidity sensor. It is also possible to analyze layers defined over the transit time of the heat pulse at a certain distance from the heating element.

Der Sensor kann unterschiedlich aufgebaut werden. Praktikable Ausführungsformen sind z.B. dünne Leiterbahnen aus Gold auf einer sehr dünnen Polyimidfolie oder aber auch als Halbleiterbauelement oder dünne leitfähige Fäden. Essentiell ist, dass die Wärmekapazität durch eine miniaturisierte Bauform z.B. in Dünnschichttechnik oder Mikrotechnik sehr klein gehalten werden kann, um die Sensorempfindlichkeit zu verbessern.The sensor can be constructed in different ways. Practical embodiments are e.g. thin conductor tracks made of gold on a very thin polyimide film or as a semiconductor component or thin conductive threads. It is essential that the heat capacity can be kept very small through a miniaturized design, e.g. in thin-film technology or microtechnology, in order to improve the sensor sensitivity.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.It goes without saying that the features mentioned above and still to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations. The scope of the invention is defined only by the claims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the associated drawing.

Es zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Wärmeverteilung,
  • 3 Diagramme zur Darstellung der Zusammenhänge zwischen der Heizleistung und der Temperatur über die Zeit in trockenem und feuchtem Material,
  • 4 ein Diagramm zur Darstellung der Eindringtiefe der Wärme in das Messmaterial und die Umgebung über der Zeit,
  • 5 ein Diagramm einer Feuchtigkeitsmessung und
  • 6 ein Diagramm einer Feuchtemessung, in dem die Widerstands- sowie die berechnete Temperaturänderung des Sensors über der Zeit aufgetragen sind, wobei unterschiedliche Feuchtezustände gezeigt sind (W=Wet, feucht; D=Dry, trocken).
It shows:
  • 1 a schematic representation of an arrangement for performing the method according to the invention,
  • 2 a schematic representation of a heat distribution,
  • 3 Diagrams to show the relationships between heating power and temperature over time in dry and moist material,
  • 4th a diagram showing the depth of heat penetration into the measuring material and the environment over time,
  • 5 a diagram of a moisture measurement and
  • 6th a diagram of a humidity measurement in which the resistance and the calculated temperature change of the sensor are plotted over time, with different humidity states being shown (W = wet, humid; D = dry, dry).

Der Feuchtigkeitssensor 1 umfasst eine Struktur 2 auf dem ein Heizelement 3 angeordnet ist, das über elektrische Anschlüsse 4 mit einer elektronischen Steuereinheit 5, die eine Auswerteschaltung 6 und selbstverständlich neben Speicherelementen auch eine CPU umfasst, und einer Energiequelle 7 beispielsweise in Form einer Batterie oder eines Akkumulators gekoppelt ist, um das Heizelement 3 für eine vorgegebene Zeitspanne mit einem definierten Heizstrom zu beaufschlagen und derart einen Heizpuls oder Wärmepuls zu erzeugen und die Temperaturerhöhung zur Ermittlung des Feuchtegehalts des Materials 8, dem der Feuchtigkeitssensor 1 zugeordnet ist, zu messen.The humidity sensor 1 includes a structure 2 on which a heating element 3 is arranged, which has electrical connections 4th with an electronic control unit 5 that have an evaluation circuit 6th and of course, in addition to memory elements, also includes a CPU and an energy source 7th for example in the form of a battery or an accumulator is coupled to the heating element 3 to apply a defined heating current for a predetermined period of time and thus to generate a heating pulse or heat pulse and the temperature increase to determine the moisture content of the material 8th the humidity sensor 1 is assigned to measure.

Das Heizelement 3 ist als ein Dünnschicht-Heizelement ausgebildet, das auf der dünnen Polyimid-Struktur 2 aufgedampftes Gold umfasst und mit einer weiteren Polyimid-Schicht abgekapselt ist. Andere Materialien und Herstellungsverfahren sind möglich.The heating element 3 is designed as a thin-film heating element that sits on top of the thin polyimide structure 2 comprises vapor-deposited gold and is encapsulated with a further polyimide layer. Other materials and manufacturing processes are possible.

2 ist zu entnehmen, dass die durch die Pfeile angedeutete Wärmeverteilung ausgehend von dem Feuchtigkeitssensor 1 in das zu untersuchende bzw. zu überwachende Material 8 bei dem es sich beispielsweise um ein Textil eines Bekleidungsstückes oder auch eine Windel handeln kann erfolgt und innerhalb der Messzeit nicht darüber hinaus in die Umgebung 9. 2 it can be seen that the heat distribution indicated by the arrows starting from the moisture sensor 1 into the material to be examined or monitored 8th which can be, for example, a textile of an item of clothing or also a diaper, and within the measurement time not beyond that into the environment 9 .

Nach 3 ist veranschaulicht, wie sich der sprunghafte Verlauf eines Wärmestroms Q über die Zeit t gemäß dem Linienverlauf 11 auf eine Kerntemperatur T über die Zeit t auswirkt wobei die Kurve 12 an trockenem Material 8 und die Kurve 13 an feuchtem/nassem Material 8 ermittelt ist. Aufgrund der hohen thermischen Effusivität von Wasser wird Wärme durch das Material 8 mit höherem Wassergehalt besser von dem Feuchtigkeitssensor 1 abgeführt. Andere Verläufe des Wärmestroms wie z.B. ein sehr kurzer Puls sind ebenfalls möglich.To 3 is illustrated how the abrupt course of a heat flow Q over time t according to the course of the line 11 to a core temperature T over time t affects being the curve 12th on dry material 8th and the curve 13th on damp / wet material 8th is determined. Due to the high thermal effusiveness of water, heat is transferred through the material 8th the higher the water content, the better of the moisture sensor 1 discharged. Other courses of heat flow, such as a very short pulse, are also possible.

Eine Darstellung der Eindringtiefe x der Wärme bzw. des Wärmestroms des Heizpulses in das Material 8 in Abhängigkeit von der Zeit t ist 4 zu entnehmen wobei mit zunehmender Zeit auch die Eindringtiefe zunimmt. Die Eindringtiefe ist eine Wurzelfunktion der Zeit und der Temperaturleitfähigkeit der Umgebung und lässt sich über die „mittlere quadratische Verschiebung“ der statistischen Physik beschreiben. Auch nach dem Abschalten des Heizstromes breitet sich die Wärme weiterhin aus. Daher ist es z.B. auch möglich, lediglich einen kurzen Heizpuls zu verwenden und nach diesem das Abkühlverhalten des Feuchtigkeitssensors 1 zu betrachten.A representation of the depth of penetration x the heat or the heat flow of the heating pulse into the material 8th depending on the time t is 4th to be taken, the depth of penetration also increasing with increasing time. The penetration depth is a root function of time and the thermal diffusivity of the environment and can be described using the "mean square displacement" of statistical physics. Even after switching off the heating current, the heat continues to spread. It is therefore also possible, for example, to use only a short heating pulse and, after this, the cooling behavior of the moisture sensor 1 consider.

5 stellt dar wie sich die Temperatur T des Feuchtigkeitssensors 1 bei einem sprunghaften Wärmestrom Q verhält. Abhängig von der Zeit t wird der Temperaturverlauf durch die Polyimid-Struktur 2 des Feuchtigkeitssensors 1, anschließend durch die unmittelbare Sensorumgebung nämlich dem Material 8 und dessen Feuchtegehalt und bei längerer Messung durch die sich an das Material 8 anschließende Umgebung 9 beeinflusst. Durch die Betrachtung eines bestimmten Zeitintervalls kann der Einfluss der Umgebung 9 aus der Feuchtemessung diskriminiert werden. D.h. die Feuchtemessung ist auf die unmittelbare Sensorumgebung gezielt zu begrenzen. 5 represents how the temperature changes T of the humidity sensor 1 with a sudden heat flow Q behaves. Depending on the time t is the temperature profile through the polyimide structure 2 of the humidity sensor 1 , then through the immediate sensor environment, namely the material 8th and its moisture content and, in the case of longer measurements, through which on the material 8th subsequent environment 9 influenced. By considering a certain time interval, the influence of the environment 9 can be discriminated against from the moisture measurement. This means that the humidity measurement is to be limited specifically to the immediate sensor environment.

6 zeigt ein Diagramm mit dem typischen Signalverlauf einer simulierten Messung an einem textilen Material 8 und sechs unterschiedlichen Feuchtezuständen von lufttrocken (D) bis hin zu vollständig durchnässt (W). Dargestellt ist eine Widerstandsänderung des Heizelementes (ΔR/R) sowie dessen Temperaturänderung in willkürlichen Einheiten, welche beide in direktem Zusammenhang stehen (PTC-Widerstandseigenschaften). Der Zeitbereich von 100ms bis 300ms (Mx) ist für diese Messung geeignet, um die Feuchtigkeit in dem Textil abzuschätzen. 6th shows a diagram with the typical signal curve of a simulated measurement on a textile material 8th and six different humidity levels from air dry (D) to completely soaked (W). A change in resistance of the heating element (ΔR / R) and its temperature change in arbitrary units, which are both directly related (PTC resistance properties), is shown. The time range from 100 ms to 300 ms (Mx) is suitable for this measurement in order to estimate the moisture in the textile.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1.1.
FeuchtigkeitssensorHumidity sensor
2.2.
Strukturstructure
3.3.
HeizelementHeating element
4.4th
Anschlussconnection
5.5.
SteuereinheitControl unit
6.6th
AuswerteschaltungEvaluation circuit
7.7th
EnergiequelleEnergy source
8.8th.
Materialmaterial
9.9.
UmgebungSurroundings
10.10.
11.11.
LinienverlaufLine course
12.12th
KurveCurve
13.13th
Kurve Curve
QQ
WärmestromHeat flow
tt
Zeittime
TT
Temperaturtemperature
xx
EindringtiefePenetration depth
MxMx
MessbereichMeasuring range
DD.
trockendry
WW.
nasswet

Claims (12)

Verfahren zur Ermittlung des Feuchtegehalts eines Feuchtigkeit aufnehmenden Materials (8) mit einem ein Heizelement (3) umfassenden Feuchtigkeitssensor (1), der mit einer Steuereinheit (5) und einer Auswerteschaltung (6) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zeitliche Steuerung und Analyse der Temperaturänderung des Heizelementes (3) unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wärmepulses im Material (8) sowie der unterschiedlichen Temperatureffekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten je nach Feuchtegehalt ein Abstand zu dem Heizelement (3) in dem der Feuchtegehalt gemessen wird beeinflusst wird, um eine Feuchte in dünnen Schichten zu bestimmen wobei ein Kontakt zu dem zu untersuchenden Material (8) zur Erfassung der Feuchte ausreichend gut ist.Method for determining the moisture content of a moisture-absorbing material (8) with a moisture sensor (1) comprising a heating element (3), which is coupled to a control unit (5) and an evaluation circuit (6), characterized in that the time control and Analysis of the temperature change of the heating element (3) using the finite propagation speed of the heat pulse in the material (8) as well as the different temperature effects due to the different heat capacities depending on the moisture content a distance to the heating element (3) in which the moisture content is measured is influenced by a To determine moisture in thin layers, contact with the material to be examined (8) being sufficiently good to detect the moisture. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) das Heizelement (3) für eine vorgegebene Zeitspanne mit einem definierten Heizstrom beaufschlagt und der Temperaturverlauf also die zeitabhängige Temperaturänderung zur Ermittlung des Feuchtegehalts gemessen wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the control unit (5) acts on the heating element (3) for a predetermined period of time with a defined heating current and the temperature curve, i.e. the time-dependent temperature change, is measured to determine the moisture content. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteschaltung (6) die Temperaturänderung während und/oder nach der Heizstrombeaufschlagung des Heizelementes (3) durch die Erfassung des Temperaturwiderstandes des Heizelements (3) oder ein Signal eines an dem Heizelement (3) angeordneten Temperatursensors erfasst wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the temperature change during and / or after the heating current is applied to the heating element (3) by the detection of the temperature resistance of the heating element (3) or a signal from a temperature sensor arranged on the heating element (3) is detected by the evaluation circuit (6). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) die Höhe des Heizstroms und die Dauer der Heizstrombeaufschlagung variiert, wobei der Verlauf des Heizstroms bei einzelnen Messungen der Temperatur gleich ist.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the control unit (5) varies the level of the heating current and the duration of the heating current application, the course of the heating current being the same for individual measurements of the temperature. Feuchtigkeitssensor (1) mit einem Heizelement (3) und einem Temperatursensor zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) von einer elektrisch nichtleitenden Schicht umgeben ist.Moisture sensor (1) with a heating element (3) and a temperature sensor for carrying out a method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the heating element (3) is surrounded by an electrically non-conductive layer. Feuchtigkeitssensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (2) des Feuchtigkeitssensors (1) einen flexiblen Schaltungsträger umfasst.Humidity sensor (1) Claim 5 , characterized in that a structure (2) of the moisture sensor (1) comprises a flexible circuit carrier. Feuchtigkeitssensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2) des Feuchtigkeitssensors (1) als eine aus einem Polyimid gefertigte Folie ausgebildet ist.Humidity sensor (1) Claim 5 , characterized in that the structure (2) of the moisture sensor (1) is designed as a film made of a polyimide. Feuchtigkeitssensor (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2) gelocht oder perforiert ist.Humidity sensor (1) Claim 6 or 7th , characterized in that the structure (2) is perforated or perforated. Feuchtigkeitssensor (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2) des Feuchtigkeitssensors (1) fadenförmig oder faserförmig ausgebildet ist.Humidity sensor (1) Claim 5 or 6th , characterized in that the structure (2) of the moisture sensor (1) is thread-shaped or fiber-shaped. Feuchtigkeitssensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) aus einer Goldfolie gefertigt ist.Humidity sensor (1) Claim 5 , characterized in that the heating element (3) is made from a gold foil. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitssensor (1) unmittelbar in das zu untersuchende Material (8) eingebunden oder benachbart zu dem zu untersuchenden Material (8) angeordnet ist.Arrangement for carrying out the procedure according to Claim 1 , characterized in that the moisture sensor (1) is incorporated directly into the material (8) to be examined or is arranged adjacent to the material (8) to be examined. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitssensor (1) in ein Referenzmaterial eingebettet ist, das mit dem zu untersuchenden Material (8) in Verbindung steht.Arrangement for carrying out the procedure according to Claim 1 , characterized in that the moisture sensor (1) is embedded in a reference material which is connected to the material (8) to be examined.
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