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Fühlerelement für Feuchtigkeitsmesser
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Schichtverlagerung, eine Verdampfung des Elektrolyts, die durch den dünnen elektrolytischen Film 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.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird ein Fühlerelement der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäss einen in an sich bekannter Weise aus Glas, Keramik oder Kunststoff in Form eines Röhrchens oder einer Scheibe bestehenden Träger für die Elektrolytsubstanz enthält, dessen zu einem Kratersystem aufgerauhte Oberfläche mit einer Kristallschicht überzogen ist, die zum Durchgang feiner Feuchtigkeitspartikelchen geeignete Kapillardurchgänge hat, und dass ferner der Träger mit Oberflächenelektroden ausgerüstet ist und die Elektrolytsubstanz an den Kraterwänden haftet.
Beim erfindungsgemässen Fühlerelement wirkt die ausserordentliche Hygroskopität des Kristalles als Gegenkraft zum Wasserdampfpartialdruck. Es wird hiedurch eine stabile Hygroskopität von 2 bis 98% relativer Feuchte erreicht. Ein weiterer Vorteil, der mit der Erfindung erzielt wird, besteht darin, dass das Kapillarsystem des Kristalles, das offenbar ähnlich wie ein Löschblatt wirkt und aus der Luft bzw. das aus der Materialausgleichsfeuchte aufgenommene Wasser speichert, wodurch eine nachteilige Schichtverlagerung unterbunden wird. Das Kapillarsystem wird in besonders starkem Mass und sehr rasch die zu messende Feuchtigkeit an die im Kratersystem geschützt angeordnete Elektrolytsubstanz heranführen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die an den Kraterwänden haftende Substanz zur Bildung des Elektrolyts vor äusseren Einwirkungen geschützt ist und damit die gewünschte hohe zeitliche Konstanz erzielt wird.
Die elektrolytischen Messverfahren unter Anwendung von Lithiumchlorid und unter Ausnutzung der Hygroskopität dieser Substanz ist nachteiligerweise im unteren Bereich begrenzt, da die Aufnahmefähigkeit von Wasser unter dem Bereich von 10% relativer Feuchte erlischt. Durch die Anwendung des erfindungsgemässen feinsten Kapillarsystems überwindet die Adhäsion der Kapillaren den Wasserdampfdruck in diesem niedrigen Bereich, wodurch der Vorteil erzielt wird, dass der Messbereich von 10% bis auf 2% relativer Feuchtigkeit erweitert ist.
Das erfindungsgemässe Fühlerelement lässt sich mit grosser Genauigkeit auch in Serienproduktion herstellen, 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 Sekunde gemessen und ist an einer Skala ablesbar. Diese Messweise ist besonders dann vorteilhaft, wenn beispielsweise in der Meteorologie Feuchtigkeitsveränderungen in rascher Folge registriert werden müssen.
Das erfindungsgemässe Fühlerelement für Feuchtigkeitsmesser wird nun an Hand der Fig. l bis 3, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen, im einzelnen erläutert : Fig. l zeigt einen Schnitt durch das Fühlerelement, Fig. 2 zeigt stark vergrössert den Glasträger mit der zu einem Kratersystem aufgerauhten Oberfläche und Fig. 3 die sich auf dem Glasträger befindliche Goldelektroden-Anordnung in Draufsicht. Fig. 4 zeigt die Kombination des erfindungsgemässen Fühlerelementes mit dem elektrischen Messgerät.
In allen Figuren sind die gleichen Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Nach der bevorzugten Ausführungsform der Fig. l besteht das erfindungsgemässe Fühlerelement für
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--1--,--3--, das zur Abgleichvorrichtung führt, einem inneren Gehäuse--4--, dessen Wandung gleichfalls zumindest zum Teil aus einem feuchtigkeitsdurchlässigen Stahlfilter besteht, wobei an der Stirnwand des inneren Gehäuses-4-eine vergoldete Schraube --5-- als Masselektrode angeordnet ist, einem Glasröhrchen--6-, das als Träger der sogenannten Hygrometer-Sonde dient, sowie einem Halbleiterelement--7--, das zur Temperaturkompensierung des Elektrolyts dient.
Mit den Bezugszeichen--13a und 13b--sind vorzugsweise vergoldete Abschlusskappen für die Elektrodenanordnung des Glasträgers bezeichnet, die einen korrosionsbeständigen Kontakt gewährleisten.
Das die Stahlfilter --2-- tragende Gehäuse --1-- besteht aus einem elektrischen Isolatormaterial, vorzugsweise aus Polytetrafluoräthylen.
In Fig. 2 ist nun das Kernstück des erfindungsgemässen Fühlerelementes für Feuchtigkeitsmesser dargestellt ; es besteht aus dem Glasröhrchen--6--, dessen Oberfläche derart aufgerauht ist, dass man sie als Kratersystem--6a--definieren kann. Die Kraterwände sind dabei mit der Elektrolytsubstanz belegt, beispielsweise mit einem Gemisch von Lithiumchlorid und Silbernitrat im Verhältnis 1 : 9. Diese Elektrolytschicht ist mit dem Bezugszeichen --8-- versehen. über dem Kratersystem-6a-ist
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eine vorzugsweise etwa 0, 1 mm dicke Kristallschicht --9-- angeordnet, die beispielsweise aus einem Gemisch von CaS04. 1/2 H20 und Seignettesalz besteht. Diese Kristallschicht hat Kapillareigenschaften (= Kapillarsystem).
Dieses Glasröhrchen --6--, das treffend als Träger 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, Übergreifungen aufweisen und einen sehr dünnen Goldbelag auf einem Glasträger besitzen. 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 erfindungsgemässen Gerät durchgeführte Feuchtigkeitsmessung unter Anwendung des Prinzips der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit von Elektrolyten nicht nur von der
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Kompensierung, die für die Messung der Feuchtigkeit von grosser Bedeutung ist, erfolgt über einen sogenannten NTC-Widerstand, d. h. einen solchen mit negativem Temperaturkoeffizienten (= NTC-Halbleiter).
Bekanntlich ist die relative Feuchtigkeit eine 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. l hinter 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-Widerstandes 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 erfindungsgemässe Fühlerelement kann wahlweise in zwei Ausführungsformen vorliegen. Zur Bestimmung der relativen Feuchte wird ein NTC-Halbleiter verwendet, der nur zur Kompensierung des Temperaturkoeffizienten der Elektrolytsubstanz dient (= Ausführungsform I). Zur Bestimmung der absoluten Feuchte und der Materialausgleichsfeuchte wird ein NTC-Halbleiter verwendet, der noch zusätzlich zur Ausschaltung der Temperatureinwirkung der relativen Feuchte verwendbar ist (=AusführungsformII).
Beide Ausführungsformen können auch in einem Feuchtigkeitsmesser gemeinsam vorhanden sein, wobei die Umschaltung auf an sich bekannte Weise erfolgt.
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Das erfindungsgemässe 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 hiedurch erstens eine Masseneinsparung zum Zwecke der rascheren Temperaturangleichung bzw. des rascheren Temperaturausgleiches erzielt wird und zweitens vorzugsweise im Inneren des Glaskörpers der NTC-Widerstand zur Temperaturkompensation des sogenannten Gebers seinen Platz findet.
Die Elektrolytsubstanz selbst haftet infolge von Adhäsion fest an den Wänden des Kratersystems - -6a--.
Infolge der Anordnung des Halbleiters--7--als Kompensationswiderstand im Messbereich, d. h. im Bereich der Feuchtigkeitserfassung, kann durch Anordnung eines Schalters am Messgerät-l l-- 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
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des Fühlerelementes 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. l dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemässen Fühlerelementes dient vor allem zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen, beispielsweise der Luft. Zur Messung der Materialfeuchte dagegen kann das Fühlerelement entsprechend abgewandelt werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung hiedurch durchbrochen wird. So ist z. B. in Fig. 4 eine spitze Sondenform gezeigt, die sehr gut zum Messen der Feuchte von körnigen und pulverigen Substanzen geeignet ist. Zur Messung der Oberflächenfeuchtigkeit bzw. der Materialausgleichsfeuchte kann eine Ausführungsform mit grosser Auflagefläche gewählt werden, wodurch der Messeffekt verbessert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Fühlerelement für Feuchtigkeitsmesser mit einem seine Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der zu messenden Feuchtigkeit ändernden elektrischen Leiter, wobei das Fühlerelement einen Elektrolyten
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Keramik oder Kunststoff in Form eines Röhrchens (6) oder einer Scheibe bestehenden Träger für die Elektrolytsubstanz enthält, dessen zu einem Kratersystem (6a) aufgerauhte Oberfläche mit einer Kristallschicht überzogen ist, die zum Durchgang feiner Feuchtigkeitspartikelchen geeignete Kapillardurchgänge hat, und dass ferner der Träger (6) mit Oberflächenelektroden (9a, 9b) ausgerüstet ist und die Elektrolytsubstanz an den Kraterwänden haftet.
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