Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Hygroskopizität, des Dampfdurchlasswiderstandes oder der Dampfdiffusionskonstante von festen Körpern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Hygroskopizi tät, des Dampfdurchlasswiderstandes oder der Dampfdiffusionskonstante von festen Körpern. Die Erfindung bezweckt, diese Messungen rascher und bequemer durchführen zu können, als dies bisher mit der gravimetrischen Methode möglich war.
Das Verfahren besteht im wesentlichen darin, dass man den Prüfling mindestens teilweise in einen gegen aussen abgedichteten Behälter bringt, dass man den Behälter durch mindestens eine dampfdurchläs- sige Wand, welche der Prüfling selbst sein kann, in wenigstens zwei Kammern unterteilt, von denen die eine als Messkammer dient und eine das Messen der Feuchtigkeit ermöglichende Sonde enthält, dass man in die anderen Kammern je einen Feuchtigkeitspuffer mit konstanter und bekannter Feuchtigkeit einbringt und dass auf Grund physikalischer Zusammenhänge die gewünschte Grösse aus den bekannten Grössen und der in der Messkammer ermittelten Feuchtigkeit bestimmt.
Die erfindungsgemässe Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist im wesentlichen gekennzeichnet durch einen teilbaren, dampfundurchlässigen Behälter zur Aufnahme des Prüflings, eine zum Messen der Feuchtigkeit dienende Sonde im einen Teil des Behälters, welche Sonde mit einer Anzeigevorrichtung in Verbindung steht, Mittel zum lösbaren Anbringen mindestens einer dampfdurchlässigen Trennwand im Behälter zum Unterteilen desselben in wenigstens zwei Kammern und Mittel zum Halten mindestens eines Feuchtigkeitspuffers in einer anderen als die die Sonde enthaltenden Kammer des Behälters.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden nachstehend mehrere Ausführungsbei- spiele des Verfahrens und der Einrichtung gemäss der Erfindung erläutert.
Fig. 1 stellt schematisch eine Anordnung zur nichtstatischen Messung der Hygroskopizität eines Prüflings dar.
Fig. 2 zeigt ein Feuchtigkeits-Zeit-Koordinaten- system mit einer Exponentialfunktion und deren Zeitkonstante.
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung zum praktischen Ausüben der in Fig. 1 veranschaulichten Messung.
Fig. 4 stellt in grösserem Massstab eine Einzelheit von Fig. 3 dar.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Anordnung zur statischen Messung des Dampfdurchlasswiderstandes eines Prüflings.
Fig. 6 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung zur praktischen Durchführung der in Fig. 5 veranschaulichten Messung, die aber auch mit der Vorrichtung nach Fig. 3 durchgeführt werden kann.
Fig. 7 und 8 stellen schematisch zwei Anordnungen zur nichtstatischen Messung des Dampfdurchlass- widerstandes verschiedener Prüflinge dar ; die praktische Durchführung der Messungen kann mit der Vorrichung nach Fig. 3 erfolgen.
Fig. 9 veranschaulicht schematisch eine Anordnung zur nichtstatischen Messung der Dampfdiffusionskonstante eines resistiv-kapazitiven Prüflings.
Fig. 10 ist ein Schnitt durch eine Vorrichtung zum praktischen Ausüben der Messung nach Fig. 9.
Fig. 11 zeigt eine andere Vorrichtung, die ebenfalls zum praktischen Durchführen der Messung nach Fig. 9 dient.
Fig. 12 und 13 stellen die bekannte Feuchtigkeits- verteilung im Innern einer homogenen Wand gra- phisch dar.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in begrenzten Änderungsbereichen der Feuchtigkeit sich sämtliche Vorgänge in einem feuchten Körper durch eine lineare Potentialtheorie beschreiben lassen.
Es gelten somit die folgenden physikalischen Beziehungen :
Das volumenspezifische Wasseraufnahmevermögen oder die spezifische Hygroskopizität eines Körpers ist
EMI2.1
worin
G = Wassergcwicht
V = Volumen y = % Feuchtigkeit
Die Hygroskopizität oder Feuchtigkeitskapazität eines Körpers ist C=eF[g*](2)
Das inverse Mass der volumenspezifischen Dampfdurchlässigkeit eines Körpers ist der spezifische Sperrwiderstand oder die spezifische Sperr-Resistivität o
EMI2.2
<SEP> g <SEP> =-2-cn12/se <SEP> (3)
<tb> <SEP> .
<SEP> 1 <SEP> 9* <SEP> 1
<tb> worin
<tb> <SEP> r <SEP> g* <SEP> l
<tb> <SEP> i <SEP> = <SEP> Dampfstromdichte
<tb> <SEP> 1cm2/seci
<tb> Der Dampfdurchlasswiderstand eines Körpers ist
EMI2.3
worin a = Dicke oder Tiefe des Körpers in Durchlass- richtung
S = Durchtrittsfläche
Das inverse Mass der volumenspezifischen Diffusionszeitkonstante ist die spezifische Diffusionskonstante k
EMI2.4
Die Diffusionskonstante einer Wand ist
EMI2.5
worin a = Dicke der Wand.
Die Feuchtigkeit cp eines Körpers lässt sich bekanntlich statisch durch die Feuchtigkeit der den Körper umgebenden Atmosphäre nach theoretisch unendlich langer Zeit definieren. Der Dampfdruck der At mosphäre steht dann im Gleichgewicht mit dem osmotischen Druck des Körpers. Ist ein Körper in einer Atmosphäre bestimmter Feuchtigkeit während längerer Zeit klimatisiert worden, so hat er die gleiche Feuchtigkeit wie diese Atmosphäre.
Messzlelg tlei-Hygrosk-opi--ität
Gemäss Fig. 1 wird der Prüfling 20, dessen Hy groskopizität C gemessen werden soll, in einen Behäl- ter 21 eingebracht, der durch eine Wand 22 in zwei Kammern 23 und 24 unterteilt ist. Der Prüfling 20 befindet sich in der einen Kammer 24, welche als Messkammer dient und eine zur Feuchtigkeitsmessung geeignete Sonde 25 enthält. Die Sonde 25 ist vorzugsweise ein clektrisches Widerstandselement, dessen Widerstandswert von der Feuchtigkeit der umgeben- den Luft abhängt. Derartige Sonden sind an sich bekannt und brauchen hier nicht erläutert zu werden.
Die Sonde 25 steht mit einem elektrischen Messinstru- ment 26 in Verbindung, das sich ausscrhalb des Be hälters 21 befindet und ermöglicht, den elektrischen Widerstand der Sonde 25 zu messen. In die Kammer 23 wird ein Feuchtigkeitspuffer 27 eingebracht, der auf eine bekannte Feuchtigkeit f klimatisiert worden ist, die beispielsweise unter derjenigen des Prüflings 20 liegt. Der Feuchtigkeitspuffer 27 kann z. B. aus Silikagel oder Silikablau bestehen. Die Wand 22 besitzt eine verhältnismässig kleine Öffnung 28, die dem Durchtritt des Dampfes einen vorbekannten Widerstand R entgegensetzt. Die übrige Wand ist dampfundurchlässig.
Für die Erzielung hinreichend genauer Messungen soll die Wand 22 kein Dampfspeichervermögen, das heisst keine Hygroskopizität besitzen. Ferner sollen die Sonde 25 und die in der Messkammer 24 vorhandene Luft im Vergleich zum Prüfling 20 eine ver nachlässigbare Hygroskopizität und eine vernachläs- sigbare Zeitkonstante aufweisen.
Zwischen dem Prüfling 20 und dem Feuchtigkeitspuffer 27 besteht ein Feuchtiglçeitsgefälle, das sich allmählich durch die Öffnung 28 der Wand 22 ausgleicht, das heisst die Feuchtigkeit in der Messkam- mer 24 nimmt mit der Zeit immer mehr ab, wogegen diejenige in der Kammer 23 zufolge der grossen Feuchtigkeitskapazität des Puffers 27 praktisch konstant bleibt. Man misst nun in verschiedenen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten mittels der Sonde 25 die Feuchtigkeit in der Messkammer 24 und zeichnet die so erhaltenen Messpunkte ?1, ?2, ?3 und r. l in einem Feuchtigkeits-Zeit-Koordinatensystem gemäss Fig. 2 graphisch auf. Durch die Messpunkte wird eine Kurve gezogen, die eine Exponentialfunktion ?=?0+(?1-?0)e-t/T ist.
Nach bekannten Regeln kann man nun die Zeitkonstante T der Exponentialfunktion ermitteln, was am einfachsten graphisch erfolgen kann, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Nachher lässt sich die gesuchte Hygro- skopizität C des Prüflings wie folgt errechnen :
C a
C = @/R
Da es sich im vorliegenden Fall um eine nichtstatische Messung handelt, braucht nicht der Gleich gewichtszustand der Feuchtigkeit des Prüflings mit jener des Puffers 27 abgewartet zu werden. Die Messung kann daher in verhältnismässig kurzer Zeit, beispielsweise schon nach wenigen Stunden, bcendet werden.
Eine zweckmässige Vorrichtung zum Ausüben des beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 3 veranschaulicht. Der Behälter 21 besteht aus zwei Teilen 31 und 32, die lösbar, jedoch dampfdicht aufeinander aufgesetzt sind. Der Unterteil 31 ist mit einer Ausnehmung 33 versehen, die nach oben durch einen Schraubdeckel 34 lösbar verschlossen ist. Der Deckel 34 bildet die Wand 22 in Fig. 1 und weist eine düsenförmige Öffnung 35 auf, welche der Öffnung 28 in Fig. I entspricht. Der durch die Ausnehmung 33 und den Deckel 34 begrenzte Hohlraum entspricht der Kammer 23 nach Fig. 1 und enthält den Feuchtigkeitspuffer 27.
In einer Vertiefung an der Oberseite des Teiles. 31 befindet sich die hygroskopische Sonde 25, die mit den Leitern 38 eines zum elektrischen Widerstandsmessinstrument führenden Anschluss- kabels 39 verbunden ist. Das Kabel 39 ist in einem Endstück 40 verankert, das eine Ausnehmung 41 des Behälterteiles 31 abschliesst. Oben weist der Teil 31 einen nach aussen vorspringenden verhältnismässig dünnen und daher in vertikaler Richtung elastisch nachgiebigen Umfangsflansch 42 auf, der mit einem äusseren endlosen Rand 43 und weiter innen noch mit einer endlosen, in Umfangsrichtung verlaufenden Dichtungsrippe 44 versehen ist (Fig. 4).
Der Oberteil 32 des Behälters ist gegen unten hin offen und weist einen nach innen vorspringenden, verhältnismässig dünnen und daher in vertikaler Richtung elastisch nachgiebigen Umfangsflansch 46 auf, an welchem eine endlose Dichtungsrippe 47 ausgebildet ist (Fig. 4). Ist der Oberteil 32 auf den Unterteil 31 aufgesetzt, so greift der Rand 43 als Führung um den Oberteil 32 und stehen sich die Dichtungsrippen 44 und 47 gegenüber. Gemäss Fig. 3 und 4 ist zwischen die Dichtungsrippen 44 und 47 die Umfangspartie einer Folie 50, z. B. eines Papierblattes, eingelegt. Die Folie 50 ist der Prüfling, dessen Hygro skopizität gemessen werden soll.
Unter dem Einfluss der Schwerkraft oder auch einer zusätzlich angewendeten Pressung auf den Oberteil 32 werden die Dichtungsrippen 44 und 47 gegen die Folie 50 gepresst, wobei wegen der erwähnten Nachgiebigkeit der Flansche 42 und 46 stets eine gute Abdichtung erzielt wird. Im Innern des Teiles 32 befindet sich noch ein herausnehmbares Gitter 51, das durch einen in eine Innennut eingelegten, radial nach aussen federnden Ring 52 festgehalten ist. Das Gitter 51 dient zum Halten von Feuchtigkeitspuffern 53, die in Fig. 3 mit strichpunktierten Linien dargestellt sind und für die Messung der Hygroskopizität der Folie 50 nicht benötigt werden.
Messung des Dampfdurchlasswiderstandes
Will man den Dampfdurchlasswiderstand R eines porösen, plattenförmigen Prüflings 60 messen, so setzt man denselben gemäss Fig. 5 als Trennwand in einen gegen aussen dicht abgeschlossenen Behälter 61 ein, der ausserdem eine zweite Trennwand 62 mit bekanntem Dampfdurchlasswiderstand Ro enthält. Die Wand 62 kann eine an sich undurchlässige Platte mit mindestens einer verhältnismässig kleinen Öffnung 63 sein.
Durch den Prüfling 60 und die Wand 62 wird der Behälter 61 in drei in einer Reihe angeordnete Kammern 64, 65 und 66 unterteilt, von denen die mittlere als Messkammer dient und die zur Feuchtigkeitsmessung geeignete Sonde 25 enthält, an welche das elektrische Widerstandsmessinstrument 26 angeschlossen ist. In der einen äussersten Kammer 64 befindet sich ein Feuchtigkeitspuffer 67 mit konstanter und bekannter Feuchtia anderen Aussenkammer 66 ein Feuchtigkeitspuffer 68 vorhanden ist, der eine andere konstante und bekannte Feuchtigkeit XP2 aufweist. Es wird angenommen, die Feuchtigkeit çl sei höher als die Feuchtigkeit (p.. Der Feuchtigkeitspuffer 67 kann z.
B. ein mit einer wässerigen Lösung imprägnierter Tampon sein, während der andere Feuchtigkeitspuffer 68 beispielsweise aus Silikagel oder Silikablau bestehen kann.
Zwischen den Kammern 64 und 66 besteht ein Feuchtigkeitsgefälle, das einen Dampfstrom durch den Prüfling 60 und die Öffnung 63 der Wand 62 verursacht, wobei durch die beiden Trennwände 60 und 62 derselbe Dampfstrom fliesst. Nach Erreichung eines stationären Strömungszustandes wird die Feuchtigkeit ç in der Messkammer 65 gemessen. Das Feuch tigkeitsgefälle, das an jeder Trennwand auftritt, ist proportional zum entsprechenden Dampfsperrwiderstand.
Somit ist der gesuchte Dampfdurchlasswider- stand R des Prüflings 60 proportional der Feuchtigkeitsdifferenz (p,-gg. Der bekannte Durchlasswider- stand Ro der Wand 62 ist proportional der Feuchtigkeitsdifferenz (p- (p,. Der Widerstand des Prüflings lässt sich nach der Formel berechnen :
R = Ro 991-91 P2
Zur praktischen Durchführung der Widerstandsmessung kann wieder die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung benutzt werden. Der Schraubdeckel 34 mit der düsenartigen Öffnung 35 entspricht der Wand 62 mit der Öffnung 63 von Fig. 5. Der Hohlraum 33 mit dem Feuchtigkeitspuffer 27 entspricht der Kammer 66 mit dem Puffer 68.
Die Folie 50 in Fig. 3 ist der Prüfling. Der Feuchtigkeitspuffer 67 nach Fig. 5 wird durch einen oder mehrere Puffer 53 im oberen Be hälterteil 32 gebildet.
Zur Erzielung genauer Messresultate ist es zweckmässig, der Öffnung 63 in der Wand 62 (Fig. 5) bzw. der düsenartigen öffnung 35 im Schraubdeckel 34 einen solchen bekannten Widerstandswert R, zu verleihen, der dem gesuchten Widerstand R ähnlich ist, das heisst nicht zu stark von demselben abweicht. Aus diesem Grund ist der Schraubdeckel 34 (Fig. 3) vorzugsweise auswechselbar gegen andere Schraubdeckel, die grössere oder kleinere Öffnungen aufweisen. Der Dampfdurchlasswiderstand ist im wesentlichen proportional der Querschnittsfläche der Öffnung und ändert sich nur wenig in Abhängigkeit von der Länge der Bohrung. Gegebenenfalls kann ein Schraubdeckel auch mehrere düsenartige öffnungen besitzen, in wel chem Fall die Durchlässigkeit der Anzahl der Öff- nungen proportional ist.
Das in bezug auf Fig. 5 beschriebene Messverfah- ren kann auch so durchgeführt werden, dass an Stelle der Wand 62 mit mindestens einer Öffnung 63 eine makroskopisch homogene, poröse Wand verwendet wird, die gleiche oder ähnliche Struktur haben kann wie der Prüfling 60. In diesem Fall benutzt man zweckmässig eine Vorrichtung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist.
Der Behälter besteht im wesentlichen aus drei Teilen 70, 71 und 72, die lösbar aufeinander aufgesetzt sind. Der unterste Teil 70 und der oberste Teil 72 sind einander gleich ausgebildet und stimmen mit dem Oberteil 32 gemäss Fig. 3 überein. Sie enthalten je ein Gitter 73, das die zugeordneten Feuchtigkeitspuffer 67 bzw. 68 festhält. Der mittlere Behälter- teil 71 ist ähnlich dem Unterteil 31 in Fig. 3 ausgebildet. Der wesentliche Unterschied liegt nur darin, dass der Schraubdeckel 34 fehlt, dass an Stelle der Ausnehmung 33 eine von unten nach oben durchgehende Offnung 75 vorhanden ist und dass nicht nur die Oberseite, sondern auch die Unterseite einen elastisch federnden Flansch 42 mit einem Umfangsrand 43 und einer Dichtungsrippe 44 aufweist.
Zwischen dem Unterteil 70 und dem Mittelteil 71 ist eine poröse Folie 80 mit bekanntem Dampfdurchlasswiderstand eingelegt, während der Prüfling 60 zwischen den Mittelteil 71 und den Oberteil 72 eingelegt ist. Die hygroskopische Sonde 25 befindet sich in dem Raum zwischen den beiden Folien 60 und 80.
Ausser dem bisher beschriebenen statischen Verfahren zur Messung des Dampfdurchlasswiderstandes wurde auch noch ein nichtstatisches Verfahren gefunden. Bei diesem wird gemäss Fig. 7 ein Behälter 81 durch eine poröse Wand 82, welche der Prüfling ist, in zwei Kammern 83 und 84 unterteilt. Die eine Kammer 83 enthält einen Feuchtigkeitspuffer 85 von konstanter und bekannter Feuchtigkeit . Der Puffer 85 besteht beispielsweise aus Silikagel oder Silikablau.
Die andere Kammer 84 dient als Messkammer und enthält ausser der Sonde 25, die an ein elektrisches Widerstandsmessinstrument 26 angeschlossen ist, noch einen Bezugskörper 86 mit bekannter Hygroskopizität C. Es wird vorausgesetzt, dass die Hygroskopizität und die Zeitkonstante der Sonde 25 und der in der Mess- kammer 84 eingeschlossenen Luft vernachlässigbar klein sind. Ferner ist vorausgesetzt, dass die Feuchtigkeit des Bezugskörpers 86 über derjenigen des Feuchtigkeitspuffers 85 liegt.
Mit Hilfe der Sonde 25 und des Instrumentes 26 wird die in der Messkammer 84 herrschende Feuchtigkeit in verschiedenen Zeitmomenten gemessen. Die Messpunkte ç tj ? 3 und (p4 werden in einem Feuchtigkeits-Zeit-Koordinatensystem gemäss Fig. 2 aufgetragen ; sie liegen auf einer Exponentialkurve t/T po + (pl- (p.) e Zum Beispiel auf graphischem Wege wird dann die Zeitkonstante T dieser Exponentialfunktion ermittelt, wonach schliesslich der gesuchte Dampfdurchlass- widerstand R des Prüflings 82 wie folgt berechnet werden kann : R = T
C
Zur praktischen Durchf hrung des Verfahrens eignet sich wieder die Vorrichtung gemäss Fig. 3. Der Feuchtigkeitspuffer 53 entspricht dem Puffer 85 von Fig. 7.
Der Prüfling 50 entspricht dem Prüfling 82 in Fig. 7. Der Schraubdeckel 34 wird herausgenommen, und in die Ausnehmung 33 wird der Bezugskörper 86 an Stelle des Feuchtigkeitspuffers 27 eingebracht.
In analoger Weise lässt sich auch der Dampfdurch lasswiderstand einer düsenförmigen Öffnung 88 in einer an sich undurchlässigen Wand 89 messen, wie in Fig. 8 schematisch veranschaulicht ist. Als Beispiel dafür sei die Messung des Durchlasswiderstandes der düsenförmigen Öffnung 35 des Schraubdeckels 34 nach Fig. 3 erwähnt. In diesem Fall wird der Feuchtigkeitspuffer 85 in die Ausnehmung 33 eingebracht, während der Bezugskörper 86 an Stelle der Teile 53 im Oberteil 32 untergebracht wird. Die Folie 50 in Fig. 3 entfällt.
Messung der Dif fusionskortstante
Zur Messung der Diffusionskonstante K eines porösen, makroskopisch homogenen Körpers, der sowohl eine Hygroskopizität als auch einen Dampf durchlasswiderstand aufweist, wird ein nichtstatisches Verfahren benutzt. Die grundsätzliche Anordnung ist in Fig. 9 veranschaulicht. Der Prüfling 90 wird zunächst auf eine bekannte Feuchtigkeit 991 vorklimati- siert und in einem Behälter 91 als Trennwand so untergebracht, dass zwei Kammern 92 und 93 entstehen.
In die eine Kammer 92 wird ein Feuchtigkeitspuffer 94 eingebracht, der eine konstante, bekannte Feuchtigkeit 592 aufweist. Die Messkammer 93 hat ein mög- lichst kleines Luftvolumen und enthält die Sonde 25, die mit einem ausserhalb des Behälters 91 angeordneten elektrischen Widerstandsmessinstrument 26 in Verbindung steht. Mit Hilfe der Sonde 25 wird die Feuchtigkeit cp in der Messkammer 93 in verschiedenen, aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gemessen.
Aus den so erhaltenen Messpunkten kann die gesuchte Diffusionskonstante an Hand von bekannten physikalischen Beziehungen ermittelt werden.
Die Verteilung der momentanen Feuchtigkeit im Innern einer homogenen Wand befolgt nämlich bekannte physikalische Gesetze und kann dimensionslos graphisch dargestellt werden, wie Fig. 12 zeigt. Diese stellt ein Koordinatensystem dar, in dessen Ordinate der Quotient f 1 und dessen Abszisse Abszisse Quo tP21 tient x aufgetragen ist. Dabei bedeutet a = die Dicke a der Wand und x = Abstand des betrachteten Mess- punktes von der einen Aussenfläche der Wand in Dikkenrichtung der Wand gemessen.
In diesem Koordi natensystem sind Linien für verschiedene konstante Werte des Quotienten Kt eingezeichnet. Da mittels a der Sonde 25 nur die Feuchtigkeit an der einen Ausseniiäche des Prüflings 90 gemessen wird, gilt = 0. Für diesen Spezialfall kann man aus dem Diaa gramm von Fig. 12 dasjenige von Fig. 13 entnehmen, das durch eine einzige Kurve den Zusammenhang zwischen den Quotienten ? fl und
992-9, ? 1 as zeigt.
Mit Hilfe dieser Kurve lässt sich die gesuchte Diffusionskonstante K ermitteln, da die Grösse 99 für verschiedene Zeiten t gemessen wurde und die übri- gen Grössen ((t 21 a und t bekannt sind.
Um genaue Messergebnisse zu erzielen, soll die Hygroskopizität der Sonde 25 und der Luft in der Messkammer 93 gegenüber jener des Prüflings 90 ver nachlässigbar klein sein. Ebenso muss die Zeitkonstante der Sonde 25 und der in der Messkammer eingeschlossenen Luft vernachlässigbar klein sein gegen über K
Eine Vorrichtung zum praktischen Durchführen des beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 10 veranschaulicht. Die Vorrichtung weist einen aus zwei lös- bar aufeinander aufgesetzten Teilen 101 und 102 bestehenden Behälter auf. Der Unterteil 101 weist in seinem Boden die hygroskopische Sonde 25 auf, die, wie bei der Vorrichtung nach Fig. 3, mit den Leitern 38 eines Anschlusskabels 39 verbunden ist. Letzteres ist durch ein Endstück 40 nach aussen geführt.
Oberhalb der Sonde 25 wird der Prüfling 90 angeordnet, der auf einer Umfangsstufe 103 des Bodens abgestützt wird. Der Behälteroberteil 102 weist ein abnehmbares Gitter 104 auf, das durch einen in eine Innennut eingelegten, radial nach aussen federnden Ring 105 festgehalten ist. Das Gitter dient zum Halten der Feuch tigkeitspuffer 94.
Mit einer etwas anders ausgebildeten Vorrichtung gemäss Fig. 11 lässt sich nach dem gleichen Verfahren auch die Diffusionskonstante einer grösseren Wand 110 ermitteln, die nicht zerschnitten und vollständig in einen Behälter eingebracht werden kann. Die Vorrichtung weist einen Behälterunterteil 111 auf, der im wesentlichen nur dem Boden des Teiles 101 nach Fig. 10 entspricht. Mit Hilfe eines endlosen, gummielastischen Dichtungsringes 112 wird der Behälterteil 111 gegen die eine Aussenfläche der zu prüfenden Wand 110 angelegt. Auf der gegenüberliegenden Aussenfläche der Wand 110 befindet sich der zweite Behälterteil 113 oder 114, der einen Randflansch 115 zum Anlegen an die Wand 110 aufweist.
Im Behältertcil 113 bzw. 114 ist wieder ein lösbares Gitter 116 vorhanden, das durch einen radial nach aussen federnden Ring 117 festgehalten ist, welcher in einer Um fangssicke des Teiles 113 bzw. 114 sitzt. Mit Hilfe des Gitters 116 ist der Feuchtigkeitspuffer 94 gehalten. Die der Wand 110 zugekehrte Fläche des Be hälterteiles 111 ist beträchtlich kleiner als die der Wand 110 zugekehrte Fläche des anderen Behälter- teiles 113 bzw. 114. Auf diese Weise erzielt man in der vor dem Teil 111 liegenden Partie der Wand 110 praktisch die gleiche Feuchtigkeitsverteilung, wie wenn diese Partie herausgeschnitten wäre und gemäss Fig. 10 eine Trennwand in einem vollständig geschlossenen Behälter bilden würde.
Method and device for measuring the hygroscopicity, the vapor resistance or the vapor diffusion constant of solid bodies
The present invention relates to a method and a device for measuring the hygroscopicity, the vapor transmission resistance or the vapor diffusion constant of solid bodies. The aim of the invention is to be able to carry out these measurements more quickly and conveniently than was previously possible with the gravimetric method.
The method essentially consists in placing the test item at least partially in a container sealed against the outside, dividing the container into at least two chambers by at least one vapor-permeable wall, which can be the test item itself serves as a measuring chamber and contains a probe that enables the humidity to be measured, that a humidity buffer with constant and known humidity is introduced into each of the other chambers and that, based on physical relationships, the desired size is determined from the known parameters and the humidity determined in the measuring chamber.
The device according to the invention for carrying out the method is essentially characterized by a divisible, vapor-impermeable container for receiving the test object, a probe serving to measure the moisture in one part of the container, which probe is connected to a display device, means for detachably attaching at least one vapor-permeable partition in the container for dividing the same into at least two chambers and means for holding at least one moisture buffer in a chamber of the container other than the one containing the probe.
With reference to the accompanying drawings, several exemplary embodiments of the method and the device according to the invention are explained below.
Fig. 1 shows schematically an arrangement for the non-static measurement of the hygroscopicity of a test object.
2 shows a moisture-time coordinate system with an exponential function and its time constant.
FIG. 3 is a cross section through an apparatus for practicing the measurement illustrated in FIG. 1.
FIG. 4 shows a detail of FIG. 3 on a larger scale.
Fig. 5 shows schematically an arrangement for the static measurement of the vapor resistance of a test object.
FIG. 6 is a cross section through a device for the practical implementation of the measurement illustrated in FIG. 5, but which can also be performed with the device according to FIG.
7 and 8 show schematically two arrangements for the non-static measurement of the vapor transmission resistance of various test objects; the practical implementation of the measurements can be carried out with the device according to FIG.
9 schematically illustrates an arrangement for the non-static measurement of the vapor diffusion constant of a resistive-capacitive test object.
FIG. 10 is a section through an apparatus for practicing the measurement of FIG. 9.
FIG. 11 shows another device which is also used to carry out the measurement according to FIG. 9 in practice.
12 and 13 graphically show the known distribution of moisture inside a homogeneous wall.
The invention is based on the knowledge that all processes in a moist body can be described by a linear potential theory in limited areas of change in moisture.
The following physical relationships apply:
The volume-specific water absorption capacity or the specific hygroscopicity of a body is
EMI2.1
wherein
G = water weight
V = volume y =% moisture
The hygroscopicity or moisture capacity of a body is C = eF [g *] (2)
The inverse measure of the volume-specific vapor permeability of a body is the specific blocking resistance or the specific blocking resistivity or similar
EMI2.2
<SEP> g <SEP> = -2-cn12 / se <SEP> (3)
<tb> <SEP>.
<SEP> 1 <SEP> 9 * <SEP> 1
<tb> in which
<tb> <SEP> r <SEP> g * <SEP> l
<tb> <SEP> i <SEP> = <SEP> vapor flow density
<tb> <SEP> 1cm2 / seci
<tb> The vapor resistance of a body is
EMI2.3
where a = thickness or depth of the body in the direction of passage
S = passage area
The inverse measure of the volume-specific diffusion time constant is the specific diffusion constant k
EMI2.4
The diffusion constant of a wall is
EMI2.5
where a = thickness of the wall.
As is well known, the humidity cp of a body can be statically defined by the humidity of the atmosphere surrounding the body after a theoretically infinitely long time. The vapor pressure of the atmosphere is then in equilibrium with the osmotic pressure of the body. If a body has been air-conditioned in an atmosphere of certain humidity for a long time, it has the same humidity as this atmosphere.
Measuring point for hygroscopic opacity
According to FIG. 1, the test object 20, the hygrocopicity C of which is to be measured, is placed in a container 21 which is divided into two chambers 23 and 24 by a wall 22. The test item 20 is located in one chamber 24, which serves as a measuring chamber and contains a probe 25 suitable for measuring moisture. The probe 25 is preferably a clever resistance element, the resistance value of which depends on the humidity of the surrounding air. Such probes are known per se and need not be explained here.
The probe 25 is connected to an electrical measuring instrument 26, which is located outside the container 21 and enables the electrical resistance of the probe 25 to be measured. A moisture buffer 27, which has been conditioned to a known moisture level f, which is, for example, below that of the test object 20, is introduced into the chamber 23. The moisture buffer 27 can, for. B. consist of silica gel or silica blue. The wall 22 has a relatively small opening 28 which opposes a previously known resistance R to the passage of the steam. The rest of the wall is impermeable to vapor.
In order to achieve sufficiently precise measurements, the wall 22 should not have any steam storage capacity, that is to say should not have any hygroscopicity. Furthermore, the probe 25 and the air present in the measuring chamber 24 should have a negligible hygroscopicity and a negligible time constant compared to the test object 20.
Between the test specimen 20 and the moisture buffer 27 there is a moisture content gradient which is gradually equalized through the opening 28 of the wall 22, that is, the moisture in the measuring chamber 24 decreases more and more over time, whereas that in the chamber 23 according to FIG large moisture capacity of the buffer 27 remains practically constant. The humidity in the measuring chamber 24 is now measured at various successive points in time by means of the probe 25 and the measuring points, 1, 2, 3 and r thus obtained are drawn. l graphically in a humidity-time coordinate system according to FIG. A curve is drawn through the measuring points, which is an exponential function? =? 0 + (? 1-? 0) e-t / T.
The time constant T of the exponential function can now be determined according to known rules, which can be done most easily graphically, as shown in FIG. The desired hygroscopicity C of the test item can then be calculated as follows:
C a
C = @ / R
Since this is a non-static measurement in the present case, it is not necessary to wait for the equilibrium state of the moisture of the test object with that of the buffer 27. The measurement can therefore be completed in a relatively short time, for example after a few hours.
An expedient device for practicing the method described is illustrated in FIG. The container 21 consists of two parts 31 and 32 which are detachable but placed on top of one another in a vapor-tight manner. The lower part 31 is provided with a recess 33 which is releasably closed at the top by a screw cap 34. The cover 34 forms the wall 22 in FIG. 1 and has a nozzle-shaped opening 35 which corresponds to the opening 28 in FIG. The cavity delimited by the recess 33 and the cover 34 corresponds to the chamber 23 according to FIG. 1 and contains the moisture buffer 27.
In a recess on the top of the part. 31 is the hygroscopic probe 25, which is connected to the conductors 38 of a connection cable 39 leading to the electrical resistance measuring instrument. The cable 39 is anchored in an end piece 40 which closes a recess 41 in the container part 31. At the top, the part 31 has an outwardly projecting, relatively thin and therefore elastically flexible circumferential flange 42 in the vertical direction, which is provided with an outer endless edge 43 and further inside with an endless sealing rib 44 running in the circumferential direction (FIG. 4).
The upper part 32 of the container is open towards the bottom and has an inwardly projecting, relatively thin and therefore elastically flexible in the vertical direction, peripheral flange 46 on which an endless sealing rib 47 is formed (FIG. 4). If the upper part 32 is placed on the lower part 31, the edge 43 engages around the upper part 32 as a guide and the sealing ribs 44 and 47 are opposite one another. According to Fig. 3 and 4 is between the sealing ribs 44 and 47, the peripheral portion of a film 50, for. B. a sheet of paper inserted. The film 50 is the test item whose hygro scopicity is to be measured.
Under the influence of gravity or an additionally applied pressure on the upper part 32, the sealing ribs 44 and 47 are pressed against the film 50, with a good seal always being achieved because of the aforementioned flexibility of the flanges 42 and 46. In the interior of the part 32 there is also a removable grid 51 which is held in place by a ring 52 which is inserted into an inner groove and resiliently radially outward. The grid 51 serves to hold moisture buffers 53, which are shown in FIG. 3 with dash-dotted lines and are not required for measuring the hygroscopicity of the film 50.
Measurement of the vapor resistance
If the vapor resistance R of a porous, plate-shaped test object 60 is to be measured, it is inserted according to FIG. 5 as a partition in a container 61 which is sealed against the outside and which also contains a second partition 62 with a known vapor resistance Ro. The wall 62 can be an inherently impermeable plate with at least one relatively small opening 63.
By the test specimen 60 and the wall 62, the container 61 is divided into three chambers 64, 65 and 66 arranged in a row, of which the middle one serves as a measuring chamber and contains the probe 25 suitable for humidity measurement, to which the electrical resistance measuring instrument 26 is connected . In the one outermost chamber 64 there is a humidity buffer 67 with a constant and known humidity; in the other outer chamber 66 there is a humidity buffer 68 which has a different constant and known humidity XP2. It is assumed that the moisture oil is higher than the moisture (p .. The moisture buffer 67 can e.g.
B. be a tampon impregnated with an aqueous solution, while the other moisture buffer 68 can for example consist of silica gel or silica blue.
Between the chambers 64 and 66 there is a moisture gradient which causes a steam flow through the test specimen 60 and the opening 63 in the wall 62, the same steam flow flowing through the two partition walls 60 and 62. After a steady flow state has been reached, the humidity ç in the measuring chamber 65 is measured. The moisture gradient that occurs on each partition wall is proportional to the corresponding vapor barrier resistance.
Thus the vapor resistance R of the test object 60 is proportional to the moisture difference (p, -gg. The known flow resistance Ro of the wall 62 is proportional to the moisture difference (p- (p,). The resistance of the test object can be calculated using the formula :
R = Ro 991-91 P2
The device shown in FIG. 3 can again be used for the practical implementation of the resistance measurement. The screw cap 34 with the nozzle-like opening 35 corresponds to the wall 62 with the opening 63 of FIG. 5. The cavity 33 with the moisture buffer 27 corresponds to the chamber 66 with the buffer 68.
The film 50 in Fig. 3 is the test specimen. The moisture buffer 67 of FIG. 5 is formed by one or more buffers 53 in the upper part 32 Be.
In order to achieve precise measurement results, it is advisable to give the opening 63 in the wall 62 (FIG. 5) or the nozzle-like opening 35 in the screw cap 34 such a known resistance value R, which is similar to the resistance R sought, that is, not to strongly deviates from the same. For this reason, the screw cap 34 (FIG. 3) can preferably be exchanged for other screw caps which have larger or smaller openings. The vapor resistance is essentially proportional to the cross-sectional area of the opening and changes only slightly as a function of the length of the bore. If necessary, a screw cap can also have several nozzle-like openings, in which case the permeability is proportional to the number of openings.
The measuring method described with reference to FIG. 5 can also be carried out in such a way that, instead of the wall 62 with at least one opening 63, a macroscopically homogeneous, porous wall is used, which can have the same or a similar structure as the test object 60 In this case a device as shown in FIG. 6 is expediently used.
The container essentially consists of three parts 70, 71 and 72 which are detachably placed on top of one another. The lowermost part 70 and the uppermost part 72 are designed in the same way and correspond to the upper part 32 according to FIG. 3. They each contain a grid 73 that holds the assigned moisture buffer 67 and 68 in place. The middle container part 71 is designed similar to the lower part 31 in FIG. The main difference is that the screw cap 34 is missing, that instead of the recess 33 there is an opening 75 that extends from the bottom to the top, and that not only the top but also the bottom has an elastically resilient flange 42 with a peripheral edge 43 and a sealing rib 44 has.
A porous film 80 with a known vapor transmission resistance is inserted between the lower part 70 and the central part 71, while the test specimen 60 is inserted between the central part 71 and the upper part 72. The hygroscopic probe 25 is located in the space between the two foils 60 and 80.
In addition to the previously described static method for measuring the vapor transmission resistance, a non-static method was also found. In this, according to FIG. 7, a container 81 is divided into two chambers 83 and 84 by a porous wall 82, which is the test item. One chamber 83 contains a humidity buffer 85 of constant and known humidity. The buffer 85 is made of silica gel or silica blue, for example.
The other chamber 84 serves as a measuring chamber and, in addition to the probe 25, which is connected to an electrical resistance measuring instrument 26, also contains a reference body 86 with known hygroscopicity C. It is assumed that the hygroscopicity and the time constant of the probe 25 and that in the measurement - Chamber 84 enclosed air are negligibly small. Furthermore, it is assumed that the humidity of the reference body 86 is above that of the humidity buffer 85.
With the aid of the probe 25 and the instrument 26, the humidity prevailing in the measuring chamber 84 is measured at various times. The measuring points ç tj? 3 and (p4 are plotted in a humidity-time coordinate system according to FIG. 2; they lie on an exponential curve t / T po + (pl- (p.) E For example, the time constant T of this exponential function is determined graphically, after which the sought vapor transmission resistance R of the test piece 82 can finally be calculated as follows: R = T
C.
The device according to FIG. 3 is again suitable for the practical implementation of the method. The moisture buffer 53 corresponds to the buffer 85 of FIG.
The test piece 50 corresponds to the test piece 82 in FIG. 7. The screw cap 34 is removed, and the reference body 86 is introduced into the recess 33 in place of the moisture buffer 27.
In an analogous manner, the vapor resistance of a nozzle-shaped opening 88 in an inherently impermeable wall 89 can also be measured, as is illustrated schematically in FIG. 8. As an example of this, the measurement of the flow resistance of the nozzle-shaped opening 35 of the screw cap 34 according to FIG. 3 may be mentioned. In this case, the moisture buffer 85 is introduced into the recess 33, while the reference body 86 is accommodated in the upper part 32 instead of the parts 53. The film 50 in FIG. 3 is omitted.
Measurement of the diffusion correlation
A non-static method is used to measure the diffusion constant K of a porous, macroscopically homogeneous body which has both hygroscopicity and vapor resistance. The basic arrangement is illustrated in FIG. The test specimen 90 is first pre-conditioned to a known humidity 991 and accommodated in a container 91 as a partition so that two chambers 92 and 93 are created.
A moisture buffer 94, which has a constant, known moisture 592, is introduced into one chamber 92. The measuring chamber 93 has the smallest possible air volume and contains the probe 25, which is connected to an electrical resistance measuring instrument 26 arranged outside the container 91. With the aid of the probe 25, the humidity cp in the measuring chamber 93 is measured at different, successive times.
The diffusion constant sought can be determined from the measurement points obtained in this way using known physical relationships.
The distribution of the instantaneous moisture inside a homogeneous wall follows known physical laws and can be graphically represented without dimensions, as FIG. 12 shows. This represents a coordinate system in whose ordinate the quotient f 1 and whose abscissa abscissa Quo tP21 tient x are plotted. Here, a = the thickness a of the wall and x = the distance of the measured point under consideration from the one outer surface of the wall measured in the thickness direction of the wall.
Lines for various constant values of the quotient Kt are drawn in this coordinate system. Since only the moisture on the one outer surface of the test object 90 is measured by means of a of the probe 25, = 0 applies. For this special case, the diagram of FIG. 12 shows that of FIG. 13, which shows the relationship by a single curve between the quotients? fl and
992-9,? 1 as shows.
With the help of this curve, the diffusion constant K can be determined, since the quantity 99 was measured for different times t and the other quantities ((t 21 a and t are known.
In order to achieve accurate measurement results, the hygroscopicity of the probe 25 and the air in the measuring chamber 93 should be negligibly small compared to that of the test piece 90. The time constant of the probe 25 and the air enclosed in the measuring chamber must also be negligibly small compared to K
An apparatus for practicing the described method is illustrated in FIG. The device has a container consisting of two parts 101 and 102 detachably placed one on top of the other. The bottom part 101 has the hygroscopic probe 25 in its bottom, which, as in the device according to FIG. 3, is connected to the conductors 38 of a connection cable 39. The latter is led through an end piece 40 to the outside.
The test specimen 90, which is supported on a circumferential step 103 of the floor, is arranged above the probe 25. The upper part of the container 102 has a removable grid 104 which is held in place by a ring 105 which is inserted into an inner groove and resiliently radially outward. The grid serves to hold the moisture buffers 94.
With a somewhat differently designed device according to FIG. 11, the diffusion constant of a larger wall 110 can also be determined using the same method, which wall cannot be cut up and completely introduced into a container. The device has a container lower part 111 which corresponds essentially only to the bottom of the part 101 according to FIG. With the aid of an endless, rubber-elastic sealing ring 112, the container part 111 is placed against the one outer surface of the wall 110 to be tested. On the opposite outer surface of the wall 110 is the second container part 113 or 114, which has an edge flange 115 for contact with the wall 110.
In the Behältertcil 113 or 114 there is again a detachable grid 116 which is held in place by a radially outwardly resilient ring 117 which sits in an order bead of the part 113 or 114. The moisture buffer 94 is held with the aid of the grid 116. The area of the container part 111 facing the wall 110 is considerably smaller than the area of the other container part 113 or 114 facing the wall 110. In this way, practically the same moisture distribution is achieved in the part of the wall 110 in front of the part 111 as if this part were cut out and, according to FIG. 10, would form a partition in a completely closed container.