DE10056771C2 - Anordnung zur Messung der Gasfeuchte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Gasfeuchte, bestehend aus einem Substrat, welches eine sensitive Oberfläche und einen Transducer enthält.

Bei der Kondensation und Verdunstung von Gasfeuchte auf sensitiven Flächen, wie dies z. B. bei Beschlags-, Kondensations- oder Taupunkt-Feuchtesensoren der Fall ist, besteht mit zunehmender Einsatzzeit das Problem, dass sich durch Verunreinigungen die Oberflächeneigenschaften und damit die Mechanismen der Feuchteadsorption und -desorption stark ändern.

Eine im Ausgangszustand energiearme (hydrophobe) Oberfläche eines Sensors zeigt einen gewissen Kondensationsverzug, d. h. die Kondensation setzt erst bei Temperaturen unterhalb des Taupunktes ein. Durch den Einfluss von Verunreinigungen wird eine solche Oberfläche insgesamt energiereicher (hydrophiler). Es kommt zur Erhöhung der Adsorptionskräfte und zusätzlich tritt Absorption im Volumen der Verunreinigungen auf. Die Kondensation setzt insgesamt schon bei Temperaturen oberhalb des Taupunkts ein. Eine Verdunstung des Kondensats erfolgt verzögert und unvollständig. Verunreinigungen sorgen zudem dafür, dass die auf einer neuen und sauberen Oberfläche sehr homogene Kondensat- bzw. Tröpfchenverteilung zunehmend inhomogener wird. Lösliche Verunreinigungen bewirken eine Dampfdruckerniedrigung und damit eine Taupunkterhöhung. Durch den Einsatz von Partikelfiltern lässt sich der Umschlag der Sensor-Oberflächeneigenschaften durch Verunreinigungen verzögern, jedoch letztendlich nicht verhindern.

Bei direkt messenden Taupunkt-Feuchtesensoren wird eine sensitive Fläche abgekühlt, bis sich darauf Kondensat niederschlägt. Die Wassermasse wird dabei mit Hilfe eines optischen, kapazitiven oder akustischen Oberflächenwellen-Transducers detektiert, die Kühlung mit Hilfe einer Regelschaltung auf einen vorgegebenen Transducer-Sollwert eingeregelt und die dazugehörige Taupunkttemperatur gemessen. Die Zeitkonstanten der Regelschaltung sind dabei im allgemeinen auf den Bereich der Kondensations- und Verdunstungsdynamik einer sauberen und vorwiegend hydrophoben Sensorfläche abgestimmt. Mit einer zunehmenden Verschmutzung der Sensoroberfläche und der damit verbundenen starken dynamischen Änderung des Adsorption- und Desorptionsverhaltens, zusätzlicher Absorption und des schlechteren Ansprechverhaltens des Transducers aufgrund einer inhomogeneren Wassermassenverteilung, ändert sich insgesamt die Sensordynamik gegenüber einer sauberen Oberfläche sehr deutlich, so dass die Regelschaltung mit den voreingestellten Parametern häufig nicht mehr exakt arbeiten kann.

Als Möglichkeit zur Reinigung der Sensorfläche wird bei optischen Tauspiegeln, wie beispielsweise in US 4,216,669 beschrieben, ein Temperaturzyklus angewendet, bei dem zunächst durch ein Abkühlen die Sensorfläche überflutet und dann durch ein Aufheizen das Kondensat sehr schnell verdunstet wird, um die auf der Sensorfläche gleichmäßig verteilten Verunreinigungen in wenigen Punkten, außerhalb des eigentlichen sensitiven Bereichs zu konzentrieren. Dieses Vorgehen ist relativ aufwendig und bringt nur geringe Vorteile, da die Verunreinigungen nicht von der Sensorfläche verschwinden, sondern nur unvollständig verlagert werden, so dass das Ad- bzw. Desorptionsverhalten als auch die Wassermassenverteilung wenn, dann nur sehr lokal und nur sehr begrenzt in Richtung einer sauberen Ausgangsoberfläche zurückgesetzt wird. Auf flächenhaft wirkende und stark ortsabhängige Transducer, wie ein kapazitives- oder akustisches Oberflächenwellen-System ist ein solcher Reinigungszyklus nicht anzuwenden, da hierdurch die Betauung bzw. die Wassermassenverteilung zusehends inhomogener wird, wodurch sich das dynamische Ansprechverhalten des Gesamtsystems gegenüber dem sauberen Ausgangszustand deutlich ändert.

Um einen Kondensationsverzug zu vermeiden und gleichzeitig die Adsorptionseigenschaften einer Sensorfläche langzeitstabiler zu machen, wird in DE 197 08 053 A1 vorgeschlagen, eine Oberflächenschicht zu erzeugen, die definierte Kondensationskeime enthält, so dass es schon einige Kelvin vor dem Taupunkt zu einer Betauung kommt. Diese Vorgehensweise vermeidet zwar einen Kondensationsverzug und stabilisiert in gewisser Weise das Adsorptionsverhalten, d. h. die dynamischen Anlagerungseigenschaften einer so modifizierten Sensorfläche ändern sich unter Verschmutzungseinfluß deutlich weniger stark als auf einer hydrophoben Ausgangsoberfläche, jedoch stellt sich auf einer solchen Oberflächenschicht schon im Neuzustand und insbesondere unter Verschmutzungseinfluß ein sehr undefiniertes Betauungsverhalten ein, d. h. es entstehen aufgrund der geringen Oberflächenspannung Tautropfen mit undefinierten Konturen, es kommt zu einem nichtreproduzierbaren Koaleszieren der Tautropfen, so dass durch eine solche Maßnahme kein reproduzierbares Ansprechverhalten eines insbesondere flächenhaft wirkenden und ortsempfindlichen Transducers gegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zwei verschiedene Anordnungen anzugeben, die eine gezielte, reproduzierbare und verschmutzungsunempfindliche Kondensation von Gasfeuchte auf sensitiven Oberflächen ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht der Anordnung mit hexagonal dicht gepackter hydrophiler Oberflächenstruktur,

Fig. 2 die Seitenansicht eines Bereiches mit einem Kondensattropfen in zeitlich nacheinander folgenden Zuständen,

Fig. 3 die Verlagerung von Verschmutzungspartikeln durch das Kondensat,

Fig. 4 die Draufsicht auf eine Ausführungsform mit hexagonalen Überstrukturen und

Fig. 5 die Anordnung mit erhabenen hydrophilen Inseln.

Bei der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Anordnung werden auf einer planaren, sehr hydrophoben Oberfläche (1) sehr hydrophile Inseln (2) in einer definierten periodischen Verteilung erzeugt. So setzt im Bereich der Inseln die Kondensation ohne Kondensationsverzug schon deutlich oberhalb des Taupunktes ein. Der entstehende Kondensattropfen (3) ist zunächst flach ausgebildet. Erreicht die Betauung den Rand der Insel, so bildet sich ein Kondensattropfen mit großem Kontaktwinkel (4) aus, der eine hohe Oberflächenspannung gegenüber der Unterlage aufweist. Die beschriebene Anordnung bewirkt zunächst, dass die Kondensation bei jedem Betauungsvorgang reproduzierbar an den hydrophilen Inseln einsetzt. Bei fortschreitender Betauung erreichen die Tröpfchen den Rand der Insel und die dort entstehende große Oberflächenspannung gewährleistet die Fixierung des Tropfens am Ort der hydrophilen Insel. Dadurch stellt sich auf der Sensorfläche ein periodisches tropfenförmiges Betauungsmuster ein. Daher wird zum einen das dynamische Betauungsverhalten in den hydrophilen Inseln möglichst stabil gehalten, zum anderen entstehen gleich große Tropfen mit einer definierten, reproduzierbaren Verteilung, wodurch sich ein reproduzierbares und verbessertes Ansprechverhalten insbesondere flächenhaft wirkender und ortsempfindlicher Transducer ergibt. Besteht ein Feuchtesensor beispielsweise aus einem Streufeldkondensator als Transducer, so kann ein solches Betauungsmuster auf den Transducer abgestimmt werden, so dass die Tautropfen im Bereich der größten Feldliniendichte entstehen, wodurch sich ein größtmöglicher Signalhub erreichen lässt.

Fig. 1 erläutert eine vorgegebene periodische Anordnung der Kondensationskeime, die aus einer einfachen hexagonal dicht gepackten Struktur besteht, wobei der Abstand sowie der Durchmesser der Inseln entsprechend der Anwendung und der Materialeigenschaften angepasst werden kann. Diese Struktur ist für die Entstehung kleiner Tautröpfchen gut geeignet, die durch eine Temperaturregelung einen bestimmten Durchmesser nicht überschreiten, so dass sie nicht koaleszieren können. Damit ist diese Struktur besonders für den Einsatz bei Taupunktsensoren geeignet. Andererseits kann ein definiertes Koaleszieren kleinerer Tautröpfchen zu größeren Tropfen durch eine zusätzliche Überstruktur (6) herbeigeführt werden. Dabei ist die Anordnung, die Abstände bzw. die Größe der hydrophilen Inseln so gewählt, dass kleinere Tröpfchen reproduzierbar zu größeren zusammenlaufen. In Fig. 4 sind derartige Strukturen erläutert. Sie können bevorzugt bei Beschlagssensoren angewendet werden, bei denen es zur Bildung größerer Tautröpfchen kommt.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, besteht ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung darin, dass durch die Verdunstung der Tautröpfchen auf der strukturierten Sensorfläche, z. B. durch ein Einschwingen der Regelschaltung, das Ausschalten des Sensors oder einen bewussten periodischen Aus-Einsschaltzyklus ein Selbstreinigungseffekt erzielt werden kann. Dies wird dadurch bewirkt, dass die Verunreinigungen (5) auf den hydrophoben Flächen, bedingt durch die große Oberflächenspannung des Wassers mit in die hydrophilen Inseln hineingezogen werden: Beim nächsten Betauungsvorgang sind die hydrophoben Zwischenräume gereinigt, und die Kondensation setzt wiederum in den hydrophilen Inselbereichen ein. Dieser Reinigungseffekt ist bei einfachen hexagonalen Anordnungen am effektivsten, da dort jeder kleine Tropfen nur die Verunreinigungen aus seiner Benetzungsfläche mit in den Kondensationskeim nimmt und die Transportwege, sowie die zu transportierende Schmutzmenge sehr gering sind. Bei Reinigungszyklen, die bei optischen Taupunktspiegeln angewendet werden, ist demgegenüber immer ein zusätzlicher Geräte- und Zeitaufwand notwendig, da eine deutlich größere Menge an Verunreinigungen wesentlich weiter transportiert werden muss. Durch den Selbstreinigungseffekt ist der Verunreinigungsgrad bei allen Inseln stets gleich, so dass ein erneuter Betauungsvorgang wieder homogen an den vorgegebenen Stellen einsetzt. Bei Überstrukturen werden bevorzugt größere Inseln im Zentrum jeder Überstruktur geschaffen, so dass an diesen Stellen ein Reservoir für Verunreinigungen entsteht. Die Wirkung der Überstrukturen wird hierdurch unterstützt, da die Betauung bevorzugt an diesen Stellen einsetzt. Nach längerer Einsatzzeit bzw. nach einer groben Verunreinigung kann die Sensoroberfläche beispielsweise mit einem Wattestäbchen und einem Lösungsmittel wie z. B. Alkohol gereinigt werden. Die Oberflächeneigenschaften werden damit wieder nahezu in den Ausgangszustand zurückversetzt. Die Standzeit einer solchen Sensorfläche lässt sich außerdem durch einen effektiven Filter deutlich erhöhen.

Fig. 5 erläutert eine andere Anordnung. Hier wird eine hydrophile sensitive Oberfläche (8) mit erhabenen hydrophilen Inseln (7) erzeugt, so dass sich bei der Kondensation durch sich ausbildende Kapillarkräfte im eingeregelten Zustand eines Feuchtesensors eine Gleichverteilung der betauten Wassermasse auf der Sensorfläche einstellt. Es ergibt sich deshalb im Arbeitspunkt des Sensors eine "quasi"-vollständige Benetzung der Oberfläche mit Kondensat. Das Design der Inselstrukturen und die Oberflächeneigenschaften sind dabei so gestaltet, dass der sich einstellende Kapillarradius so groß ist, dass sich keine bedeutsame Taupunktserhöhung ergibt. Die "Wasserschichtdicke" wird bei der Anordnung möglichst gering gehalten, um zwischen dem Temperatumeßelement und der Wasseroberfläche einen möglichst geringen Temperaturgradienten zu gewährleisten. Durch die hydrophile Oberfläche setzt die Kondensation schon vor dem Taupunkt ein. Dadurch verändert sich das Adsorptionsverhalten bei einer weiteren Verunreinigung nur geringfügig. Durch die Kapillarwirkung und die "quasi"-vollständige Benetzung ergibt sich ein gut reproduzierbares Ansprechverhalten, insbesondere für flächenhaft wirkende und ortsempfindliche Transducer.

Eine Reinigung der Anordnung lässt sich durch ein deutliches Überfluten bzw. Spülen erzielen, wobei die Verschmutzungen an die Wasseroberfläche geschwemmt und zum Rand der Sensorfläche ablaufen oder beispielsweise mit einer Pipette abgesaugt werden.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen zeichnen sich gegenüber den üblichen Sensorflächen und deren bislang angewandten Reinigungszyklen insbesondere durch zwei Vorteile aus.

Zum einen werden durch die stellenweise bzw. flächig hydrophil gestaltete Oberfläche die Ad- und Desorptionseigenschaften des Wassers denen einer verunreinigten Oberfläche angenähert, so dass sich durch die Anlagerungen von Verunreinigungen auf einer so gestalteten Oberfläche die dynamischen Anlagerungseigenschaften an die Oberfläche deutlich weniger stark ändern als bei einer insgesamt hydrophoben Ausgangsoberfläche.

Zum anderen wird durch die Anordnung der "quasi"-planaren Strukturierung der Oberflächeneigenschaften (1) bzw. die Anordnung mit hydrophiler Kapillarstruktur (5) die Wassermassenverteilung auf der gesamten Sensorfläche reproduzierbar gehalten. Dadurch wird das Ansprechverhalten, insbesondere flächig wirkender und ortsempfindlicher Transducerprinzipen, wie bei einem kapazititven oder akustischem Oberflächenwellen-Prinzip deutlich stabiler gehalten.

Bei den erfindungsgemäßen Anordnungen bleibt daher das dynamische Verhalten des gesamten Sensors unter Verschmutzungseinfluß deutlich stabiler als bei konventionellen Betauungs-, Taupunktsensoren, was eine Erhöhung der Standzeit solcher Sensoren und die Verlängerung der Reinigungsintervalle bewirkt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

hydrophobe Oberfläche

2

hydrophile Oberfläche

3

entstehender Kondensattropfen (Keim)

4

Kondensattropfen mit großem Kontaktwinkel

5

Verschmutzungspartikel

6

hexagonal Anordnung mit Überstruktur

7

erhabene hydrophile Inseln

8

hydrophile Restoberfläche

Claims (7)

1. Anordnung zur Messung der Gasfeuchte, bestehend aus einem Substrat, welches eine sensitive Oberfläche und einen Transducer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Oberfläche periodisch angeordnete hydrophile Flächen (2) aufweist, die von hydrophoben Bereichen (1) umgeben sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transducer ortsempfindlich ist und die hydrophilen Flächen (2) verstärkt in Transducerbereichen mit höchster Empfindlichkeit angeordnet sind.

3. Anordnungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die periodisch angeordneten hydrophilen Flächen (2) bevorzugt in hexagonaler dicht gepackter Form angeordnet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen Flächen (2) zusätzliche Überstrukturen (6) enthalten, wodurch wachsende Tautröpfchen definiert und reproduzierbar koaleszieren.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen Flächen (2) aus Kavitäten bestehen.

6. Anordnung zur Messung der Gasfeuchte, bestehend aus einem Substrat, welches eine sensitive Oberfläche und einen Transducer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der sensitiven Oberfläche periodisch angeordnete erhabene Strukturen (7) befinden und die erhabenen Strukturen (7) sowie die darunterliegenden Oberflächen (8) gegenüber ihrer Umgebung erhöhte hydrophile Eigenschaften aufweisen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erhabenen periodischen Strukturen (7) in hexagonal dicht gepackter Form angeordnet sind.