DE102017127341B4 - Feuchte-Sensorelement, Verfahren zum Herstellen eines Feuchte-Sensorelements, Feuchte- oder Taupunkt-Sensor und Feuchtemessverfahren - Google Patents

Feuchte-Sensorelement, Verfahren zum Herstellen eines Feuchte-Sensorelements, Feuchte- oder Taupunkt-Sensor und Feuchtemessverfahren Download PDF

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Abstract

Feuchte-Sensorelement (10) für einen Feuchte-Sensor (12) zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas, umfassend wenigstens ein Schwingelement (14), wenigstens ein erstes Material (16) und wenigstens ein zweites Material (18) auf dem Schwingelement (14), wobei das wenigstens eine erste Material (16) derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei sich über einen ersten Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert, und das wenigstens eine zweite Material (18) derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei über einen zweiten Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Feuchte-Sensorelement für einen Feuchte-Sensor zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Feuchte-Sensorelements, einen Feuchte-Sensor oder Taupunkts-Sensor, der ein solches Feuchte-Sensorelement enthält und ein Feuchtemessverfahren, das insbesondere mit einem derartigen Feuchte-Sensorelement durchführbar ist.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes.
  • Bevorzugte Aspekte der Erfindung betreffen eine Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehaltes in einem Gas umfassend ein schwingendes Element, welches mit wenigstens einem und vorzugsweise mit mehreren Materialien beladen ist, eine Elektronikkomponente, vorzugsweise zur Auswertung des Schwingverhaltens des schwingenden Elementes, ein Gehäuse mit mindestens einer Öffnung und optional ein Element zur Erhöhung der Temperatur des schwingenden Elementes und der darauf beladenen Materialien. Bevorzugte weitere Aspekte der Erfindung betreffen weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung der Taupunkttemperatur von Gasen, wobei das wenigstens eine Material, vorzugsweise die Materialien, auf dem schwingenden Element durch die Öffnung im Gehäuse mit dem zu messenden Gas in Kontakt gebracht werden und das Schwingverhalten durch die Elektronik erfasst wird. Optional werden die Materialien auf dem schwingenden Element durch das Element zur Erhöhung der Temperatur kurzzeitig erwärmt.
  • Der Taupunkt ist ein Wertepaar bestehend aus der Taupunkttemperatur und dem Druck des entsprechenden Gases und beschreibt den Punkt, an dem in einem Gemisch aus Gas und Dampf die Gasphase mit der vorhandenen Menge an Dampf gerade gesättigt ist. Die Taupunkttemperatur eines feuchten Gases, welches nicht mit Dampf gesättigt ist, ist die Temperatur, auf die das GasGemisch isobar abgekühlt werden kann, bis es zur ersten Kondensation von Dampf kommt.
  • Die Messung des Feuchtegehaltes in feuchten Gasen ist von breitem, technischem Interesse. Der Stand der Technik beschreibt daher eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Taupunktes in Gasen. Eines der am weitesten verwendeten Messprinzipien beruht auf dem sogenannten Tauspiegelhygrometer und dem Taupunkthygrometer, bei denen eine Fläche gekühlt wird, bis sich darauf flüssiges Wasser durch Kondensation des Dampfes abscheidet. Die Bildung kleinster Tröpfchen oder dünner Wasserfilme auf diesen Flächen kann dann mittels optischer, kapazitativer, resistiver oder thermischer Methoden erfasst werden. Die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Temperatur dieser Fläche entspricht der Taupunkttemperatur des Gases. Üblicherweise wird die Temperatur dabei in der Nähe der Taupunkttemperatur gehalten und zur Messung jeweils leicht erhöht und wieder abgesenkt.
  • Ein alternatives Messprinzip zur Messung des Taupunktes beruht auf der Verwendung von beschichteten Schwingquarzen oder anderen Piezokristallen. Die Piezokristall-Sensoren umfassen Schallwellensensoren wie Dickenscherungsschwingung-(TSM)-Einrichtungen, Oberflächenwellen-(SAW)-Einrichtungen, akustische Plattenmodus-(APM)-Einrichtungen und gebogene Plattenwellen-(FPW)-Einrichtungen und andere dem Fachmann bekannte Anordnungen von Schwingelementen auf Basis von Piezokristallen. Auch bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung nutzen derartige Elemente als Schwingelement.
  • Für Ausgestaltungen der Erfindung bevorzugte Piezokristall-Sensoren sind Quarz-Mikrowaagen (QCM) und Quarz-Stimmgabel-Sensoren (QTF). Die Verwendung von Quarz im sogenannten AT-Schnitt erlaubt dabei geringe Temperaturabhängigkeit des Schwingverhaltens. Der Quarz wird zwischen mindestens zwei Elektroden eingebettet und durch Anlegen eines Treibsignals zum Schwingen gebracht. Das Treibsignal wird durch eine dazu geeignete Elektronik erzeugt und ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Eine Änderung des Schwingverhaltens wird ebenfalls durch eine dafür geeignete Elektronik erfasst und ausgewertet. Geeignete Verfahren und Geräte sind dem Fachmann hinreichend bekannt.
  • Die Grundlagen dieser Art von Sensoren sind beschrieben durch William H. King, Esso Research, Analytical Chemistry, Vol 36, No. 9, August 1964, Seiten 1735 bis 1739, welcher unter anderem auf Drift hinweist, und die Notwendigkeit die Sensoren gleichmäßig zu beschichten, und die Wichtigkeit der Linearität des Sensors betont (Seite 1738, Mitte).
  • Die Verwendung von Piezokristall-Sensoren zur Messung des Taupunktes sind unter anderem in DE 698 16 431 A1 beschrieben. Dabei wird ein Standard-QCM-Quarzplättchen in eine Druckkammer eingebaut. Beim Erreichen des Taupunktes erfolgt eine Änderung der Schwingfrequenz des Quarzplättchens. Die dabei beschriebene Verwendung einer temperaturkontrollierten Druckkammer benötigt erhebliche Mengen an Energie zum Betrieb und ist damit nicht geeignet für den Masseneinsatz oder den Betrieb über längere Zeit ohne aufwändige Stromversorgung oder ohne Versorgung über einen Netzanschluss.
  • Eine Beschichtung der Piezokristall-Sensoren kann verwendet werden, um spezifisch eine bestimmte Chemikalie zu erfassen oder die Sensitivität des Sensors zu verbessern. Die Anmeldung CH 465 275 A beschreibt eine Reihe von Beschichtungen zur Detektion von spezifischen Materialien. Ein hervorstechendes Merkmal dieser Sensoren ist ihre Linearität in der CH 465 275 A ausdrücklich verwiesen wird.
  • Die JP 07 260 661 A beschreibt die Verwendung von Polyethersulfon als Beschichtung eines Feuchtesensors auf Basis einer QCM und verweist ebenfalls auf die Linearität der.
  • Die US 3 677 066 A beschreibt die Verbesserung der Zuverlässigkeit solcher Sensoren nach Vorbehandlung der Sensoren und verweist wieder auf die Linearität des Signals in Abhängigkeit der zu messenden Konzentration. Dieses Messprinzip beruht auf der Linearität der Massenzunahme als Funktion der Konzentration eines zu messenden Stoffes und zeichnet sich durch hohe Linearität aus, auf welche mehrfach explizit hingewiesen wird. Insbesondere illustriert die US 3 677 066 A das weit verbreitete Messprinzip dieser Gruppe von Sensoren: Feuchte oder Wasserdampf diffundiert in eine Schicht, und erhöht dadurch die Masse der Schicht. Die Schicht wird auf einem geeigneten Schwingelement aufgebracht, und die Massenänderung der Schicht kann über die sehr bekannten Beziehungen, u.a. der Sauerbrey-Gleichung, erfasst werden. Die Linearität der Antwort ist dabei ein zentrales Element solcher Messprinzipien.
  • Die US 4 973 182 A beruht auf dem gleichen Messprinzip und beschreibt ebenfalls eine Gruppe von möglichen Wasser-absorbierenden Materialien (Aluminium-Oxid, wasseranziehende Polymere und Copolymere, wasseranziehende, zerfließende Salze) auf einem QCM-Sensor, welcher bei konstanter Temperatur betrieben wird. Die Sensoren werden dabei zu einem möglichst großen Teil der Fläche oder sogar vollständig durch das Wasser-absorbierende Material bedeckt. Wiederum beruht das Prinzip der Messung auf einer Massenänderung auf dem QCM-Sensor, welche ihrerseits durch geändertes Schwingverhalten erfasst wird. Die Massenänderung erfolgt kontinuierlich und linear, indem Wasser in die Schicht aufgenommen wird. Die Auswertung erfolgt über eine Kalibrationsfunktion, welche die Frequenz/Massenänderung und den Feuchtegehalt oder Taupunkt verknüpft.
  • Die US 6 126 311 A beschreibt einen Taupunktsensor basierend auf MEMS-Technologie, wobei eine Kühl- und Heizeinheit dazu verwendet werden, die Temperatur des Schwingelementes über und unter den Taupunkt zu bringen, und durch Erfassen der Schwingungsänderung damit den Taupunkt zu bestimmen. Kühlen und Heizen benötigt erhebliche Mengen Energie und macht solche Sensoren abhängig von kontinuierlicher Stromversorgung.
  • Die US 6 295 861 A beschreibt die Verwendung von unterschiedlich beschichteten QCMs in einem gemeinsamen Gehäuse. Wiederum werden Beschichtungen auf Basis von Polymeren offenbart, insbesondere Polystyrol-Sulfonsäure, Polyvinylchlorid-Polyvinylacetat Copolymere, Siloxane und Polyethylenoxide, welche alle zu obigem linearem Ansprechverhalten des Sensors führen.
  • Beansprucht wird ein QCM Paar, untergebracht in einem Gehäuse, wobei ein Sensor mit Polyethylenoxid beschichtet ist, und der andere Sensor mit einem Siloxan. Dieses Verfahren beruht darauf, dass unterschiedliche Schichten auf QCM zu unterschiedlichem Verhalten gegenüber einem zu testenden Stoff führen. Die Verwendung von mehreren QCM, jeder einzeln mit einer anderen Schicht bedeckt, verbessert die Genauigkeit solcher Sensoren Gruppen.
  • Die US 2006/0032290 A1 beschreibt die Verwendung von Feuchte-Absorbermaterialien und eines Heizelementes direkt auf dem schwingenden Element. Es wird breit die Verwendung von Polymeren, Hybridmaterialien und anorganischen Materialien beschrieben. Bevorzugt werden mehrere Sensoren zusammen verwendet, jeweils einzeln mit unterschiedlichen Coatings. Die Verwendung solcher Gruppen von Sensoren mit unterschiedlichen Beschichtungen wird dabei als bevorzugt erwähnt, falls Feuchte und Taupunkt detektiert werden sollen. Die US 2006/0032290 A1 verweist auch auf das Problem der Sättigung solcher Sensoren, da das kondensierte Wasser nur schwer von den Sensoren entfernbar ist und damit ein sinnvolles Ansprechen des Sensors nach einer Sättigung stark verzögert sein kann. Die beanspruchten Gruppen von Sensoren führen dazu, dass kondensiertes Wasser abgeschüttelt werden könne. Weiter wird die Anpassung der Beschichtungsmaterialien an die zu messende Feuchte beschrieben, wobei zwischen Chemisorption und physikalischer Adsorption von Wasser unterschieden wird. Die Sensoren können durch eine auf der Rückseite der Schwingelemente angebrachte Widerstandsheizung erwärmt, und so regeneriert werden. Die US 2006/0032290 A1 offenbart die Notwendigkeit, die Sensoren periodisch zu erhitzen, und legt das Heizelement direkt auf das Schwingelement. Damit wird das Schwingelement viel schwerer. Die Kombination verschiedener Fertigungstechniken (Quarzkristall schneiden; Abscheiden von Metallelektroden, bevorzugt Platin) und Materialien führt zu einem Schwingelement mit unterschiedlicher Festigkeit, und damit auch weniger präzisem Schwingverhalten. Dies senkt den Qualitätsfaktor, und damit die Trennschärfe bei der Erfassung von Schwingungsänderungen. Die US 2006/0032290 A1 offenbart des Weiteren die Schwierigkeiten der Kalibration und der Nullpunktfindung. In anspruchsvoller Umgebung mit sich ändernden Rahmenbedingungen (Druck, Temperatur, allenfalls Gaszusammensetzung, Verunreinigungen) ist das Wiederfinden eines bestimmten Referenzwertes oder der internen Nullpunktfindung eines Sensors zentral, da sonst die ausgelesen Messwerte einer schwer erfassbaren Drift unterliegen.
  • Die WO 2015/085298 beschreibt ein Paar von QCM-Sensoren, wobei einer der Sensoren zur Detektion von Thiolen in Gasen beschichtet ist, und der andere QCM als Referenz dient.
  • Aus der wissenschaftlichen Publikation Pi-Guey Su et al., „Humidity sensing properties of calix[4]arene and functionalized calix[4]arene measured using quartz-crystal microbalance", In: Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 181, S. 795-801 geht ein Herstellungsverfahren eines Feuchtesensorelements hervor, welches eine Quarzmikrowaage umfasst und wobei die Elektrode des Quarzes einmal mit der chemischen Verbindungen TBHC und einmal mit der chemischen Verbindung NTBHC beschichtet wird. Es zeigt sich in beiden Fällen eine Änderung der Schwingungsfrequenz des Quarzes als Funktion der relativen Feuchte der Umgebung.
  • Die wissenschaftliche Publikation Lazarowich et al., „Fabrication of porous alumina on quartz crystal microbalances", In: Journal of Applied Physics 101, 104909 (2007) betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzes mit einer porösen Elektrode aus Aluminium. Das Verfahren ist im Wesentlichen ein dreistufiges Anodisierungs-Ätz-Anodisierungsverfahren. Die Schwingungsfrequenzänderung als Funktion der relativen Feuchte weist eine Hysterese sowie ein für Kapillarkondensation typisches sprunghaftes Verhalten bei hoher relativer Feuchte.
  • Banda et al., „Real-time Monitoring of Mass-Change During the Structural Evolution of an Epoxy Glass Subsequent to Relative Humidity Jumps Throug the Glass Transition", In: Conference Proceedings ANTEC 2004, Chicago, Illinois, S. 2302-2306 beschreiben einen mit einem Epoxidharz beschichteten Quarz, der einer feuchten Umgebung ausgesetzt wird. Eine Änderung der relativen Feuchte in der Umgebung führt zu einem Glasübergang, welcher sich in einer Masseänderung manifestiert. Auch können Memoryeffekte in der Strukturrekonstruktion bei instantanten Sprüngen der relativen Feuchte beobachtet werden.
  • Die Messung von tiefen Feuchtegehalten ist technisch speziell anspruchsvoll. US 5 615 954 beschreibt die Verwendung eines Tieftemperatur-Instrumentes mit entsprechend hohem Energiebedarf. Die Verwendung von verflüssigtem Gas zur Kühlung ist zudem nicht geeignet für transportierbare oder sogar dezentral verwendbare Sensoren, da solche Gase entsprechend nachgefüllt werden müssen, was zu hohem Wartungsaufwand führt. Es ist offensichtlich, dass solche Anordnungen nicht geeignet sind, mit tiefen Energiebedarf und wartungsfrei betrieben zu werden.
  • Schwingungsbasierte Systeme existieren also in einer breiten Vielfalt, und basieren weitgehend auf der Einführung des Prinzips durch William H. King (Analytical Chemistry, Vol 36, No. 9, August 1964, Seiten 1735 bis 1739). Die beschriebenen Probleme zu Drift, Nullpunktfindung und Langzeitstabilität wurden auf verschiedene Weise versucht zu verbessern, wobei dies entweder zu komplexen (großen, schweren, teuren und/oder Geräte mit hohem Energie- oder Wartungsbedarf) Geräten geführt hat, oder bei modernen, MEMS basierten Systemen zu Geräten, die empfindlich sind, oder weiterhin signifikante Drift aufweisen, oder eine größere Anzahl von Sensoren verwendet werden muss, wodurch die Systeme Fehler-anfälliger werden, und der Produktionsaufwand stark anwächst.
  • Das Problem der Sensorkalibration und der Referenzwert- oder Nullpunktfindung ist dem Fachmann sehr bekannt, und führt bei der Produktion von Sensoren zu einem erheblichen Aufwand in Bezug auf Logistik, Kennzeichnung, Qualitätssicherung und damit verbunden steigenden Kosten und Fehleranfälligkeit.
  • Es besteht daher ein Bedarf für Sensoren, welche bei geringer Energieaufnahme zuverlässig die Feuchte und/oder den Taupunkt bestimmen können und dabei auch in anspruchsvoller Umgebung zuverlässig ihren Referenzpunkt finden. Der geringe Energiebedarf ist von hohem Interesse bei dezentralen Anwendungen, geringem Platz, in bewegten Systemen oder in der Verwendung in Massenmärkten, oder in Einwegverwendungen, wo der Sensor nur zwischenzeitlich verwendet wird (z.B. in einer Verpackung).
  • Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Feuchte bereitzustellen, die mit geringer Energieaufnahme und in anspruchsvoller Umgebung zuverlässiger arbeiten.
  • Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung gemäß einer ersten Alternative ein Feuchte-Sensorelement nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Feuchte-Bestimmung nach Anspruch 11. Ein Verfahren zum Herstellen des Feuchte-Sensorelements und einen Feuchte- und Taupunkts-Sensor mit einem solchen Feuchte-Sensorelement sind Gegenstände der weiteren Nebenansprüche Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein Feuchte-Sensorelement für einen Feuchte-Sensor zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas, umfassend wenigstens ein Schwingelement und wenigstens ein erstes Material und wenigstens ein zweites Material auf dem Schwingelement, wobei das wenigstens eine erste Material derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei sich über einen ersten Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert, und das wenigstens eine zweite Material derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei über einen zweiten Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert.
  • Es ist bevorzugt, dass das erste Material und das zweite Material auf der gleichen Seite oder auf entgegengesetzten Seiten des wenigstens einen Schwingelements angeordnet sind.
  • Es ist bevorzugt, dass das erste Material und das zweite Material auf einem gleichen Bereich oder auf unterschiedlichen Bereichen des wenigstens einen Schwingelements angeordnet sind.
  • Es ist bevorzugt, dass das erste Material und das zweite Material nebeneinander, übereinander oder in ringförmiger oder sich umgebender Anordnung angeordnet sind.
  • Es ist bevorzugt, dass das erste Material und das zweite Material auf unterschiedlichen Zinken oder auf dem gleichen Zinken eines als Stimmgabel ausgebildeten Schwingelements angeordnet sind.
  • Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine erste Material und das wenigstens eine zweite Material poröse Materialien sind, bei denen die Porengrößen jeweils derartig gewählt und verteilt sind, dass sich bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte eine sprunghafte Masseänderung einstellt.
  • Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine erste Material und das wenigstens eine zweite Material poröse Materialien sind, bei denen die Abweichung der Porengröße der Poren von der mittleren Porengröße der Materialien jeweils derart gewählt ist, dass sich bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte eine sprunghafte Masseänderung einstellt.
  • Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine erste Material und das wenigstens eine zweite Material definiert-poröse Materialien sind.
  • Es ist bevorzugt, dass sich das erste und das zweite Material unterscheiden
    • • durch ihren mittleren Porendurchmesser und/oder
    • • durch ihre Benetzbarkeit und/oder
    • • dadurch, dass sie in Mengen vorgesehen sind, die ein deutlich unterschiedliches Porenvolumen enthalten; und/oder
    • • durch ihre Strahlenabsorptionsfähigkeit gegenüber einer Licht- oder Infrarot- oder Wärmestrahlung.
  • Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine erste Material und das wenigstens eine zweite Material jeweils ausgewählt sind aus der Gruppe der microporösen, mesoporösen und macroporösen Materialien.
  • Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen ersten Materials und/oder des wenigstens einen zweiten Materials mit einem oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist.
  • Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen ersten Materials und/oder des wenigstens einen zweiten Materials mit einem Organosilan oder Organosiloxan als oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist.
  • Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials mit einem Additiv zur Veränderung der Strahlenabsorptionsfähigkeit gegenüber einer Licht- oder Infrarot- oder Wärmestrahlung versehen oder behandelt ist.
  • Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Schwingelement als Quarzmikrowaage und/oder als Quarz-Stimmgabel ausgebildet ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung Verfahren zum Herstellen eines Feuchte-Sensorelements nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, umfassend:
    1. a) Bereitstellen eines Schwingelements und
    2. b) Beschichten des Schwingelements mit wenigstens einem ersten Material und wenigstens einem zweiten Material, deren Masse sich bei sich jeweils über einen Feuchtewert hinweg ändernder Feuchtigkeit sprunghaft ändert, wobei b) enthält:
      • b1) Aufbringen eines Vorläufermaterials auf dem Schwingelement und
      • b2) Erzeugen von Poren in dem Vorläufermaterial, um so das Material, dessen Masse sich bei sich über einen Feuchtewert hinweg ändernder Feuchte sprunghaft ändert, zu bilden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Feuchte-Sensor zur Bestimmung des Feuchtegehalts in einem Gas, umfassend ein Gehäuse mit wenigstens einer Öffnung, ein Feuchte-Sensorelement, vorzugsweise nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, innerhalb des Gehäuses und ein Elektronikbauteil zum Ansteuern des Schwingelements und Liefern eines Messsignals.
  • Bevorzugt ist ein Sensorelement vorgesehen, dessen Kennlinie (Signal über (relative) Feuchtigkeit in dem Gas aufgetragen) wenigstens eine erste Nichtlinearität und eine zweite Nichtlinearität aufweist, wobei der Sensor dazu ausgebildet ist aus der ersten Nichtlinearität und der zweiten Nichtlinearität wenigstens einen Referenzpunkt zu erzeugen. Besonders bevorzugt wird der Abstand zwischen Nichtlinearitäten und/oder ein Verhältnis der Nichtlinearitäten zur Referenzwertbestimmung und/oder zur Kalibrierung herangezogen.
  • Gemäß einer weiteren Alternative zum Lösen der oben genannten Aufgabe, die alternativ oder kumuliert zu der Verwendung des nichtlinearen Sensorelements vorgesehen sein kann, ist der Sensor an seiner Öffnung mit einer Membran verschlossen, die gasdurchlässig aber wasserundurchlässig ist.
  • Derartige Membrane können Gas und Wasserdampf in das Innere des Gehäuses zu dem Sensorelement durchlassen, aber Wasser aus dem Gehäuse fernhalten. Der Sensor kann so auch Umgebungen mit Spritzwasser oder dergleichen zuverlässig arbeiten.
  • Materialien für derartige Membrane sind beispielsweise als Stoffe für Outdoor-Bekleidungen seit Jahren bekannt und auf dem Markt für Funktionsbekleidungen oder Outdoor-Bekleidungen erhältlich.
  • Gemäß noch einer weiteren Alternative, die kumuliert oder alternativ zu dem nichtlinearen Sensorelement und/oder der mit der gaspermeablen aber wasserundurchlässigen Membran versehenen Öffnung vorgesehen sein kann, wird ein Sensorelement verwendet, welches wenigstens ein Schwingelement aufweist, das mit einer ersten Beschichtung und einer zweiten Beschichtung versehen ist, wobei die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung eine unterschiedliche Benetzbarkeit relativ zu Wasser aufweist. Beispielsweise ist die erste Beschichtung hydrophil und die zweite Beschichtung hydrophob ausgebildet.
  • Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass das wenigstens eine Schwingelement wenigstens ein Material aufweist, welches das wenigstens eine Material mit nichtlinearem Verhalten sein kann, aber nicht sein muss, und dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials mit einem oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist.
  • Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse ein Temperierelement zum Beeinflussen der Temperatur des wenigstens einen Materials enthält.
  • Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse ein Heizelement zum Beeinflussen der Temperatur des wenigstens einen Materials enthält.
  • Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse eine Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlungsquelle zum Bestrahlen des wenigstens einen Materials mit Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlen enthält.
  • Insbesondere ist bevorzugt, oder bei einer Alternative der Erfindung auch selbstständig ohne die wenigstens zwei Materialien mit nichtlinearen Eigenschaften und/oder auch ohne die gaspermeable Membran auch alleine vorgesehen, dass das Gehäuse einen LED-Baustein zum Bestrahlen wenigstens zweier Materialien auf einem Schwingelement mit Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlen enthält.
  • Die Verwendung einer LED zusammen mit einer geringen Masse eines Schwingelements führt dazu, dass mit dem Sensor besonders energieeffizient ein Temperaturbereich durchfahren werden kann und somit ein Taupunkt bestimmt werden kann. Besonders bevorzugt ist dies zusammen mit dem wenigstens einen Material mit nichtlinearer Eigenschaft vorgesehen, so dass beim Durchfahren des Temperaturbereichs auch die Stelle(n) der wenigstens einen Nichtlinearität erfasst wird/werden und zur Referenzpunktbestimmung und/oder Kalibrierung herangezogen werden kann/können.
  • Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse metallisch ausgebildet ist.
  • Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse eine planare Fläche gegenüber dem wenigstens einen Schwingelement aufweist.
  • Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse eine thermische Masse aufweist, die mehr als 1000mal höher ist als die thermische Masse des auf dem wenigstens einen Schwingelement aufgebrachten wenigstens zwei Materialien.
  • Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse an seiner Öffnung mit einer wasserdampf-durchlässigen, aber wasserdichten Membrane verschlossen ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Taupunktsensor zum Bestimmen eines Taupunkts in einem Gas, umfassend einen Feuchte-Sensor nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur innerhalb des Gehäuses, wobei das Elektronikbauteil zum Liefern eines eine Bestimmung des Taupunkts zulassenden Messsignals ausgebildet ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Feuchtemessverfahren zum Messen einer Feuchtigkeit in einem Gas, umfassend
    • a) Verwenden eines Feuchte-Sensorelements, dessen Verlauf seines Messsignals in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit wenigstens zwei Nichtlinearitäten aufweist, und Ermitteln eines Referenzwertes anhand der wenigstens einen Nichtlinearität und/oder
    • b) Verwenden eines Gehäuses mit einer Öffnung, die mit einer gaspermeablen aber wasserundurchlässigen Membran verschlossen ist und/oder
    • c) Verwenden wenigstens eines Schwingelements das Bereiche unterschiedlicher Wasser-Benetzbarkeit, insbesondere einen hydrophil beschichteten und einen hydrophob beschichteten Bereich aufweist.
  • Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: Verwenden eines Feuchte-Sensorelements nach einer der oben erläuterten Ausgestaltungen oder eines mit dem oben erläuterten Herstellverfahren erhältliches Feuchte-Sensorelement oder eines Feuchte-Sensors nach einer der obigen Ausführungen.
  • Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: Verwendung von zwei oder mehr sprungartigen Veränderungen des Schwingverhaltens des wenigstens einen Schwingelements zur Referenzwertbestimmung und/oder zum Kalibrieren.
  • Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: Erwärmen des wenigstens einen Schwingelements und Erfassen einer oder mehrerer im Verlauf der Erwärmung auftretender sprunghafter Veränderungen der Frequenz des Schwingelements.
  • Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: mehrmaliges Erwärmen des wenigstens einen Schwingelementes und Erfassen von Änderungen der Frequenz des wenigstens einen Schwingelements während einer Abkühlphase oder Kaltphase zwischen zwei Erwärmungen, wobei insbesondere erfasst wird, ob und in welchem Maße diese Änderungen der Frequenz mit zunehmender Anzahl der Erwärmungs-/Abkühlphasen kleiner werden, und aus dem Abfall dieser Änderung die Feuchte oder der Taupunkt ermittelt wird.
  • Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen Sensoren, welche bei geringer Energieaufnahme zuverlässig den Taupunkt bestimmen können und dabei auch in anspruchsvoller Umgebung zuverlässig ihren Referenzpunkt finden. Durch den geringen Energiebedarf ist der Sensor vorteilhaft für dezentrale Anwendungen, bei geringem Platz, in bewegten Systemen oder in der Verwendung in Massenmärkten, oder in Einwegverwendungen, wo der Sensor nur zwischenzeitlich verwendet wird (z.B. in einer Verpackung).
  • Ziele von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bestehen darin, einen oder mehreren der oben genannten Nachteile bekannter Systeme auf ein Mindestmaß zu reduzieren, oder ganz zu umgehen.
  • Ein Sensor gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung hat mindestens ein schwingendes Element, zwei oder mehrere zusätzliche vorzugsweise definiert-porösen Materialien, ein optionales Heizelement oder ein Infrarot oder Licht ausstrahlendes Element und eine Elektronikkomponente.
  • Demnach umfasst ein besonders bevorzugter Sensor
    • i) mindestens ein schwingendes Element,
    • ii) zwei oder mehrere zusätzliche definiert-porösen Materialien,
    • iii) ein optionales Heizelement oder ein Infrarot oder Licht ausstrahlendem Element,
    • iv) und eine Elektronikkomponente und
    • v) ein Gehäuse mit mindestens einer Öffnung.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen des Sensors oder dessen Sensorelements zeigen ein nicht-lineares Verhalten gegenüber Gasen mit verschiedener relativer Feuchte.
  • Es ist bevorzugt, dass eines oder mehrere der definiert porösen Materialien in zwei Schritten auf dem Schwingelement hergestellt werden, wobei und in einem ersten Schritt eine essentiell porenfreie Schicht eines Vorläufermaterials aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt durch eine Behandlung die Poren erzeugt werden.
  • Vorzugsweise sind zwei oder mehr definiert poröse Materialien vorgesehen, die sich unterscheiden bezüglich
    • i) ihres Porendurchmessers, oder
    • ii) ihrer Benetzbarkeit, falls die Porendurchmesser gleich sind.
  • Bei bevorzugten Ausgestaltungen sind die definiert porösen Materialien in Mengen enthalten, die ein deutlich unterschiedliches Porenvolumen enthalten.
  • Vorzugsweise sind die definiert porösen Materialien aus der Gruppe der micro-, meso- und macroporösen Materialien.
  • Vorzugsweise ist wenigstens ein definiert poröses Material vorgesehen, wobei ein Teil des Materials mit einem Oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt wurde.
  • Vorzugsweise ist das Oberflächenderivatisierende Reagenz ein Organosilan oder Organosiloxan.
  • Es ist ein Sensor bevorzugt, der ein Infrarot- oder lichtemittierendes Element aufweist, wobei in dem wenigstens einen Material, vorzugsweise in mindestens einem von mehreren definiert porösen Materialien, ein Additiv vorhanden ist, wobei das Additiv die Strahlungsabsorptions-Eigenschaften des Materials bezüglich der Licht oder Infrarot Bestrahlung verändert.
  • Bei einem derartigen Sensor ist weiter bevorzugt, dass mindestens zwei übereinanderliegende Schichten aus definiert porösen Materialien vorgesehen sind.
  • Bevorzugt ist ein Sensorelement mit einem Schwingelement auf der Basis einer Quarzmikrowaage.
  • Bevorzugt ist ein Sensorelement mit einem Schwingelement auf der Basis einer Quarz-Stim mgabel.
  • Bevorzugt ist ein Sensor mit einer Wasserdampf-durchlässigen und wasserdichten Membrane über der Öffnung im Gehäuse.
  • Bevorzugt ist ein Sensor mit einem metallischen Gehäuse, wobei das Gehäuse eine planare Fläche gegenüber dem Schwingelement aufweist, und die thermische Masse dieses Gehäuseteils über 1000-mal höher ist als die thermische Masse des auf dem Schwingkörper deponierten definiert porösen Materials.
  • Bevorzugt ist ein Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes unter Verwendung eines Sensors gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen und unter Verwendung von zwei oder mehreren sprungartigen Veränderungen des Schwingverhaltens.
  • Vorzugsweise wird bei dem Verfahren das Schwingelement mindestens einmal erwärmt, wobei zwei oder mehr dabei auftretende sprunghafte Änderungen der Frequenz des Schwingelementes erfasst werden.
  • Vorzugsweise wird bei dem Verfahren das Schwingelement mehrere Male hintereinander erwärmt, wobei die Änderung der Frequenz des Schwingkörpers während der Abkühl- oder Kaltphase zwischen zwei Erwärmungen erfasst wird.
  • Vorzugsweise werden obige Änderungen der Frequenz mit zunehmender Anzahl Erwärmungs-/Abkühlphasen kleiner, wobei aus dem Abfall dieser Messwerte die Feuchte oder der Taupunkt ermittelt werden.
  • Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen einen kleinen mobilen Taupunktsensor, der vorzugsweise als Referenzpunktsensor ausgebildet ist.
  • Vorzugsweise ist eine mobile Energieversorgung wie insbesondere eine Batterie oder aufladbare Batterie und/oder ein Energieharvester vorgesehen, mit dem aus Umgebungsenergie - z.B. Wärme, Vibration, Strahlungsenergie, elektrische Felder usw. - Energie zum Betrieb des Sensors erzeugbar ist.
  • Vorzugsweise ist die Elektronikkomponente zur drahtlosen Kommunikation ausgebildet. Insbesondere weist sie wenigstens einen Sender zum drahtlosen Senden des Sensorsignals auf. Insbesondere ist ein Sendeempfänger zur bidirektionalen drahtlosen Kommunikation vorgesehen.
  • Ein besonderer Aspekt der hier dargestellten Ausführungsbeispiele betrifft die Erzeugung eines Referenzpunktes. Während im gesamten Stand der Technik möglichst lineare Kennlinien angestrebt sind, ist bei einer Alternative der Erfindung vorgesehen, ein Sensorelement zu verwenden, bei der die Kennlinie wenigstens eine Nichtlinearität, vorzugsweise wenigstens eine erste und eine zweite Nichtlinearität aufweist. Die kann z.B. mit einem Schwingelement erzeugt werden, auf dem ein oder mehr Materialien aufgebracht sind, die bei Übergang über einen vorbestimmten Wert der Feuchte des Gases, das das Schwingelement umgibt, eine sprunghafte Masseänderung zeigt. Ein Beispiel hierfür ist ein poröses Material, bei dem möglichst viele Poren eine im Wesentlichen gleiche Porengröße - Porendurchmesser - aufweisen. Ein großer Teil der Poren hat demnach eine gleiche Porengröße, insbesondere einen gleichen Porendurchmesser. Derartige Materialien werden hier als definiert poröse Materialien bezeichnet. Durch Porenkondensation gibt es bei derartigen Materialien eine Stufe in der Adsorptionskurve. Zu den theoretischen Grundlagen hierzu wird beispielsweise auf
    • Schreiber, Andreas „Phasenverhalten reiner Stoffe in mesoporösen Silika-Materialien“, Doktorarbeit, Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften, 18. Juli 2002, https://depositonce.tu-berlin.de/bitstream/11303/867/1/Dokument_27.pdf
    verwiesen.
  • Vorzugsweise wird als Schwingelement eine Stimmgabel verwendet. Bei einer Ausgestaltung können auch mehr als eine Stimmgabel vorhanden sein. Vorzugsweise sind die schwingenden Bereiche der einen oder mehreren Stimmgabeln mit einem definiert porösen Material beschichtet.
  • Normalerweise kondensiert bei steigenden Feuchtegehalt immer mehr Feuchtigkeit auf der Stimmgabel, was zu einer kontinuierlichen Massezunahme führt. Hat man dagegen ein Material, welches Poren mit einer genügend engen Porenweiteverteilung hat - das hier als definiert porös bezeichnete Material - kommt es bei einem bestimmten relativen Feuchtewert aufgrund der dann auftretenden Porenkondensation zu einer stufenartig ansteigenden Massezunahme. Hierzu kann man beispielsweise die Temperatur stetig erniedrigen, so dass die relative Feuchte des Gases ständig zunimmt und bei einem Temperaturwert die Stufe zu beobachten ist. Diese Stufe kann man zum Bilden eines Referenzwertes heranziehen. Dadurch kann man den Sensor kalibrieren und die über eine Frequenzmessung erfolgende Massemessung zur Bestimmung der relativen Feuchtigkeit heranziehen.
  • Gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Taupunkt-Bestimmung vorgeschlagen. Die Vorrichtung kann auf einem Paar von Stimmgabeln basieren, eine porös und hydrophil beschichtet, bevorzugt monodispers partikulär beschichtet, die Referenz hydrophob, nicht porös beschichtet. Das Gehäuse kann, muss aber nicht, über z.B. ein Peltierelement vorzugsweise aber über einen einfachen Strahler wie z.B. LED oder dergleichen heiz- oder kühlbar sein. Dies kann die Bestimmung des Taupunktes innert kürzester Zeit erlauben, da Wasser im porös hydrophilen Teil kondensieren würde, und somit deutliche Massenänderungen hervorrufen, während eine hydrophobe, nicht hydrophile Referenz-Stimmgabel eine einfache Kompensation gegen Drift und Druck etc Schwankung erlauben würde.
  • Vorzugsweise ist das wenigstens eine Schwingelement, z.B. eine oder mehrere Stimmgabeln, in einem Gehäuse untergebracht, dessen thermische Masse massiv höher ist als der Stimmgabel, welche durch ihre Nähe zur Gehäusewand, und die eher langsame Gasströmung dann (fast) im thermischen Gleichgewicht mit dem Gehäuse ist, und so einfach auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden kann. Beim Aufheizen oder Runterkühlen wäre zudem die Stimmgabel immer „etwas hinterher“, damit könnte auch Wasser zuerst auf der Gehäuse-Innenseite vor-kondensiert werden, und dann durch ein rasches Aufheizen der Wand als Dampf auf die Stimmgabel übertragen werden. Damit wären auch „Aufkonzentrierungen“ andenkbar.
  • Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Sensors hat eine Schwinggabel oder ein Quarz-basiertes Sensorelement mit einem nicht-linearem Ansprechprofil; bevorzugt ohne Peltier Element, optional mit einer Leuchtdiode zum periodischen, fast adiabatischen Hochheizen des Quarzes. Eine LED hat gegenüber einem Peltierelement als Heizelement eine massiv kleinere Ansprechzeit und einen massiv geringeren Energiebedarf.
  • Vorzugsweise führt die Anwendung eines Submicron-Materials auf dem Schwingteil mit Porenkondensation zu einer sehr scharfen Ansprechlinie (wt% Wasser im Material) bei bestehenden Grenz-Feuchten führen. Insbesondere durch Wahl von zwei oder mehr solcher Porenkondensations-Materialien kann ein Annähern, Erreichen und Überschreiten eines Grenzwertes in Feuchtigkeit, oder auch Taupunkt, erfasst werden, ohne Kühlung. Bei Anwendung von einer Reihe Materialien liefert dies eine treppenartige Funktion mit einfacher Detektion und sehr einfacher „Wiederfindung“ der genauen Basiswerte, da nun die Stufen der Treppe verschieden hoch sein könnten. Dies ergibt ein inhärentes Wiederfinden gewisser Referenzgrößen, vor allem auch bei Einsatz in anspruchsvoller Umgebung, wie z.B. in komplexe Gase, bei Druckänderungen; bei Temperatursprüngen, bei häufiger Regeneration oder Reinigung.
  • Vorzugsweise hat das Sensorelement ein nicht-lineares Ansprechprofil. Vorzugsweise sind mehrere „Zeolite“ auf einem Quarz oder einem Schwingelement vorgesehen. Eine weitere bevorzugte Idee betrifft die Verwendung einer Reihe von Porenkondensationsmaterialien in verschiedenen Mengen zur internen raschen Wiederfindung der Referenzwerte. Während praktisch alle bisher bekannten Taupunkt Sensoren ein Kühlelement aufweisen, wird in bevorzugter Ausgestaltung eine LED verwendet. Bei einer weiteren Idee ist eine gaspermeable wasserabweisende Membran an der Sensoröffnung vorgesehen.
  • Alle diese Ideen zielen einzeln oder in beliebiger Kombination auf tiefen Energie-/Strombedarf; Erfassen eines kritischen Feuchtebereichs, Arbeiten in schwieriger Umgebung, Annäherung an einen bestimmten Punkt, Überschreiten des Punktes und Robustheit.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung des Taupunktes in einem Gas, umfassend ein schwingendes Element, ein oder mehrere poröse Materialien mit definierter Porenweite und optional einem Heizelement oder einem IR oder Licht emittierenden Element. Vorzugsweise zeichnet sich der Sensor durch ein nicht-lineares Anspruchsverhalten auf Änderungen der Feuchte im Gas aus, wobei beim Erreichen einer bestimmten Temperatur bei einer bestimmten Feuchte oder Taupunktes an dem Material die Masse sprunghaft abnimmt. Die Verwendung unterschiedlicher Mengen an Materialien auf dem Sensor erlaubt eine eindeutige Zuordnung der absoluten Feuchte, da die sprunghaften Massenänderungen eindeutig einer bestimmten Feuchte zugeordnet werden kann. Weiter wird ein Messverfahren zur Bestimmung des Taupunktes und der Feuchte beschrieben, welches sich durch Robustheit und tiefen Energiebedarf auszeichnet.
  • Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
    • 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Sensorelements für einen Feuchte-Sensor zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas, umfassend wenigstens ein Schwingelement und wenigstens ein erstes Material und ein zweites Material auf dem Schwingelement,
    • 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des Sensorelements;
    • 3a eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des Sensorelements;
    • 3b eine Seitenansicht des Sensorelements von 3a;
    • 4a eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des Sensorelements;
    • 4b eine Seitenansicht des Sensorelements von 4a;
    • 5a eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform des Sensorelements;
    • 5b eine Seitenansicht des Sensorelements von 5a;
    • 6a eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform des Sensorelements;
    • 6b eine Seitenansicht des Sensorelements von 6a;
    • 7 ein Diagramm, welches ein Frequenzsignal eines Schwingelements gemäß einer der Ausführungsformen von 1 bis 6b gemeinsam mit einer Spannung zum Ansteuern eines Heizelements zum Heizen des Schwingelements aufgetragen über der Zeit zeigt;
    • 8 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Feuchte-Sensors mit einem Gehäuse und einer Gehäuseöffnung zeigt, in dessen Inneren eines der Sensorelement der 1 bis 6b untergebracht ist;
    • 9a eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Feuchte-Sensors, bei dem die Öffnung durch eine gaspermeable, aber wasserabweisende Membran verschlossen ist;
    • 9b einen Schnitt durch einen Bereich der Öffnung des Sensors von 8a; und
    • 10 einen Schnitt durch ein Gehäuse einer weiteren Ausführungsform des Feuchte-Sensors;
  • In den 1 bis 6b sind unterschiedliche Ausführungsformen eines Sensorelements 10 für einen Feuchte-Sensor 12 gezeigt. Das Sensorelement 10 hat wenigstens ein Schwingelement 14, das zum Schwingen angeregt werden kann. Auf dem wenigstens einen Schwingelement 14 ist ein erstes Material 16 und ein zweites Material 18 vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens eines der Materialien 16, 18 derart ausgebildet, dass sich seine Masse bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert.
  • In den 8 bis 10 sind unterschiedliche Ausführungsformen für einen Feuchte-Sensor 12 dargestellt, der ein Gehäuse 500 mit einer Öffnung 510 aufweist. In dem Gehäuse 500 ist wenigstens ein Schwingelement, vorzugsweise wenigstens ein Schwingelement 14 der in den 1 bis 6b gezeigten Art, untergebracht. Weiter hat der Feuchte-Sensor 12 ein in den Figuren nicht näher dargestelltes Elektronikbauteil und ein in dem Gehäuse 500 untergebrachtes Temperierelement 20 zum Temperieren des Schwingelements 14. Die Öffnung 510 kann mit einer gaspermeablen Membran verschlossen sein. Das Temperierelement 20 ist vorzugsweise als Strahlungselement 560 zum Bestrahlen des Schwingelements 14 mit Wärme- oder Infrarot-Strahlung und/oder mit Licht ausgebildet.
  • Bei einer Ausgestaltung des Feuchte-Sensors 12 ist das wenigstens eine Schwingelement 14 an unterschiedlichen Bereichen mit Materialien mit unterschiedlicher Benetzbarkeit beschichtet. Dies kann auch derart geschehen, dass an einem Schwingelement oder einem Bereich eine Beschichtung mit hydrophilen Material und an einem anderen Schwingelement oder einem anderen Bereich mit hydrophober Beschichtung vorgesehen ist.
  • Bei der Ausgestaltung des Sensorelements 10 nach 1 ist als Schwingelement 14 ein Quarz-Schwingelement 100 mit zwei Trägern 101 und 102 vorgesehen, welche gleichzeitig als Elektroden dienen. Eine Metallelektrode 110 ist in dieser Ansicht ebenfalls ersichtlich. Das Quarz-Schwingelement 100 enthält als erstes und zweites Material 16, 18 zwei definiert poröse Materialien 151 und 152, welche auf dem Quarz-Schwingelement 100 nebeneinander mit (oder auch ohne) Abstand zueinander angebracht sind. Auch eine konzentrische Anordnung (nicht dargestellt), bei der das erste Material 16 das zweite Material 18 z.B. ringförmig vollständig oder auch nur teilweise umgibt, ist denkbar.
  • 2 zeigt eine weitere Ausführungsform für das Sensorelement 10 mit dem Quarz-Schwingelement 100 als Schwingelement 14, wobei wiederum als erstes und zweites Material 16, 18 mit zwei definiert poröse Materialien 161 und 162 vorgesehen sind, welche hier allerdings teilweise übereinander auf dem Quarz-Schwingelement 100 angebracht sind.
  • 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 10, wobei als Schwingelement 14 eine Quarz-Stimmgabel 200 in Aufsicht (3a) und in Seitenansicht (3b) mit Halterung 202 (links) und Schwingbereich 204 vorgesehen ist. Beide Arme 210, 220 der Schwinggabel 200 sind mit entsprechenden Elektroden beschichtet, welche durch geeignete Lotstellen 211 und 221 mit der Halterung 202 verbunden sind. Zwei definiert poröse Materialien 301 und 302 sind als erstes und zweites Material 16, 18 auf dem gleichen Arm 220 der Quarz-Stimmgabel 200 angebracht.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 10 mit der Quarz-Stimmgabel 200 mit zwei definiert porösen Materialien 303 und 304, welche auf den beiden Armen 210 und 220 aufgebracht sind.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 10 mit der Quarz-Stimmgabel 200 mit zwei definiert porösen Materialien 305 und 306, welche auf dem gleichen Arm 220 überlappend angebracht sind.
  • 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 10 mit der Quarz-Stimmgabel 200 mit zwei definiert porösen Materialien 307 und 308, welche auf dem gleichen Arm angebracht sind. Ein erstes Material 307 ist auf der Vorderseite angebracht, das zweite Material 308 auf der Rückseite.
  • 8 zeigt eine Ausführungsform des Feuchte-Sensors 12 mit dem Gehäuse 500 mit der Öffnung 510, durch welche die Umgebung mit dem beschichteten Schwingelement 14, insbesondere mit dem Quarz 100, 200 (in 8 nicht dargestellt, im Gehäuse) interagieren kann.
  • 9 zeigt das gleiche Gehäuse 500 mit einer über der Öffnung 510 (verdeckt, nicht sichtbar) aufgebrachten Membran 550. Nebst der Seitenansicht (9a, links) ist ein Querschnitt durch die Öffnung 510 mit darüber aufgespannter Membran 550 dargestellt (9b, rechts).
  • 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Feuchte-Sensors 12 mit dem Gehäuse 500 mit der Quarz-Stimmgabel 200 und eine der oben erwähnten Beschichtungen (der Übersichtlichkeit halber nicht weiter im Detail dargestellt), der Öffnung 510 und einem Licht- oder Infrarot emittierenden Element 560.
  • Es ist offensichtlich, dass andere Varianten verwendet werden können. Je nach Ausführungsform können mehr als zwei Materialien 16, 18 verwendet werden oder diese Materialien 16, 18 auf der gleichen Seite oder dem gleichen Schwingarm 210, 220, oder auf unterschiedlichen Schwingarmen 210, 220 und gegenüberliegenden Seiten des Schwingelementes 14 aufgebracht sein.
  • Als Schwingelemente 14 sind eine Vielzahl von Systemen geeignet welche dem Fachmann bekannt sind und oben erwähnt worden sind. Bevorzugte Schwingende Elemente 14 sind auf Basis von Schwing-Quarzen oder Quarz-Schwinggabeln aufgebaut und beinhalten mindestens ein piezoelektrisches Material und mindestens zwei Elektroden. Geeignete Schwingelemente 14 sind daher auch die Quarz-Schwingkristalle, wie diese in Quarz-Mikrowaagen Verwendung finden.
  • Definiert poröse Materialien 151-162, 301-308 existieren aus einer breiten Vielfalt von Materialien und sind dadurch charakterisiert, dass die Materialien über Poren mit einem eng definierten Durchmesser verfügen. Gemäß der International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC, wird unterschieden zwischen micro-(Porendurchmesser kleiner als 2 nm), meso- (Porendurchmesser zwischen 2 and 50 nm) und makroporösen (Porendurchmesser grösser als 50 nm) Materialien.
  • Die Materialklasse der Zeolite und der Metal-Organischen Framework (MOF) Materialien gehört größtenteils zu den microporösen Materialien.
  • Die Materialklasse der MCM-41 (Mobil Composition of Matter No. 41) und SBA-15 Materialien umfasst mesoporöse Materialien, wobei durch spezielle Wahl der Synthesebedingungen die Porengrösse eingestellt werden kann.
  • Allgemein sind poröse Gläser mit Poren von 2 bis 1000 nm durch eine Vielfalt von Verfahren herstellbar, wobei die Extraktion von Alkaliborosilikatgläsern nach einer Phasentrennung wohl das bekannteste Verfahren darstellt. Solche Gläser sind unter dem Namen Vycor Gläser kommerziell erhältlich.
  • Die Messung von Porendurchmesser ist dem Fachmann hinreichend bekannt und kann entweder direkt durch geeignete mikroskopische Methoden wie Elektronenmikroskopie erfolgen, oder indirekt durch Bestimmen der spezifischen Oberfläche eines Materials durch eine Absorptionsmethode, und Berechnen des Porendurchmessers. Ein oft verwendetes Verfahren ist die Absorption von Stickstoff (N2) bei -196 °C, der sogenannten Brunauer-Emmett-Teller (BET) Methode. Dazu können Geräte wie ein Tristar oder Gemini verwendet werden, wie diese durch die Firma Mikromeritics kommerziell vertrieben werden. Damit kann die Spezifische Oberfläche der Probe bestimmt werden, und der mittlere Porendurchmesser sowie die Porengrössenverteilung errechnet werden. Das Verfahren ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Für weitere Einzelheiten zu den porösen Materialien wird auch auf die oben genannte Doktorarbeit verwiesen.
  • Zur Unterscheidung von porösen Materialien und definiert porösen Materialien wird die sogenannte Porengrößenverteilung herangezogen: Dabei wird der Porenvolumenanteil (y-Achse; Einheiten: cm3/g pro nm oder Angström) gegen den Porendurchmesser (x-Achse; Einheiten: nm oder Angström) aufgetragen. Ein Material ist definiert porös, falls folgende beiden Bedingungen zutreffen:
    • - Die Breite des Peaks in obiger Darstellung auf halber Höhe des Peaks (Englisch: Full width at half height; Einheiten: nm oder Angström) ist kleiner als ein Viertel des mittleren Porendurchmessers (Einheiten: nm oder Angström), ermittelt durch die BET Methode.
    • - Das Porenvolumen (Einheiten: cm3/g) innerhalb der Breite des Peaks (Integral der Porenvolumenanteile vom unteren Ende der Breite des Peaks auf halber Höhe zum oberen Ende der Breite des Peaks auf halber Höhe) ist mindestens ein Fünftel (20%) des gesamten Porenvolumens (Einheiten: cm3/g) des Materials.
  • Für die Ermittlung des gesamten Porenvolumens des Materials werden Poren von Null bis zum 10-fachen des mittleren Porendurchmessers berücksichtigt. Dazu wird in der obigen Darstellung der Porengrößenverteilung das Integral der Porenvolumenanteile von Null bis zum 10-fachen des mittleren Porendurchmessers ermittelt.
  • Das erste Material 16 und das zweite Material 18 können sich bei den definiert porösen Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 dabei durch den Porendurchmesser unterscheiden, dann liegt eine reine Unterscheidung durch den Porendurchmesser bei gleicher Materialzusammensetzung vor. Alternativ oder zusätzlich können zwei definiert poröse Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 durch die Wahl der Substanzen, aus denen sie aufgebaut sind, oder die Beschichtung der Poreninnenseite definiert sein. In diesen Fällen kann der Porendurchmesser von verschiedenen Materialien 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 gleich sein, sofern sich diese Materialien 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 durch unterschiedliche Benetzbarkeit unterscheiden. Solche unterschiedlichen Benetzbarkeiten sind dem Fachmann bekannt, und werden als hydrophile oder hydrophobe Materialien 16, 18 bezeichnet. Die Benetzbarkeit wird oft durch den sogenannten Kontaktwinkel quantitativ erfasst. Dazu kommen unter anderem Geräte zum Einsatz wie das DAS 100 der Firma Krüss, oder das Gerät Theta der Firma Biolin Scientific.
  • Zwei oder mehr unterschiedliche Materialien 16, 18, insbesondere zwei oder mehr definiert poröse Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 können auf dem Schwingelement 14 in zahlreichen Anordnungen und variablen Mengen aufgebracht werden. Das Aufbringen der Materialien 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 kann in einem oder mehreren Prozessschritten erfolgen, und umfasst je nach spezifischer Ausführung auch weitere Verfahrensschritte.
  • Geeignete Methoden zum Aufbringen der insbesondere definiert porösen Materialien 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 umfassen Spin-coating von geeignten Dispersionen oder Dispersionen von Vorläufermaterialien. Die Schichten werden bevorzugt durch Erwärmen verfestigt, oder in einen zusätzlichen Arbeitsschritt in die eigenliche Anwendungsform gebracht. Ebenfalls geeignete Aufbringmethoden sind die Beschichtung durch Gasphasen- oder Plasmabeschichtung, wobei typischerweise zuerst eine Vorläufermaterial-Schicht aufgebracht wird, und später separat durch einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt die eigentliche Anwendungsform des definiert porösen Materials 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 gebildet wird. Optional können zur Verbesserung der Haftung auch Hilfsmittel verwendet werden, welche dem Fachmann bekannt sind, und Binder oder Klebstoffe beinhalten.
  • Besonders geeignete Methoden verwenden die Deposition eines oder mehreren Tropfen einer Dispersion der Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 oder Dispersionen der Vorläufermaterialien auf dem Schwingelement 14, wobei die einzelnen Tropfen an der gleichen oder unterschiedlichen Stellen auf dem Schwingelement 14 aufgebracht werden können.
  • In einer einfachen Ausführungsform, wie insbesondere in 1 und 3 dargestellt, werden zwei oder mehrere Materialien 151, 152; 301, 302 nebeneinander auf das Schwingelement 14 aufgebracht, wobei sich die Bereiche mit Beschichtungen berühren können, oder sogar überlappen, oder durch nichtbeschichtete Bereiche klar getrennt sind. Eine solche Anordnung ist zum Beispiel in 1 gezeigt, wo die Materialien 151 und 152 nebeneinander auf dem Schwingelement 14 angebracht sind.
  • In einer anderen einfachen Ausführungsform werden zwei oder mehr Materialien 161, 162; 305, 306 übereinander auf das Schwingelement 14 aufgebracht. Dabei können zwischen den einzelnen Schritten auch zusätzliche Prozesse angewendet werden, wie zum Beispiel das Hochheizen des Schwingelementes, oder die Anwendung einer Extraktionslösung zur Überführung eines Vorläufermaterials in ein definiert poröses Material. Eine solche Anordnung ist in 2 oder 5 gezeigt. Die beiden Materialien 161, 162; 305, 306 sind dabei übereinander angeordnet.
  • Bei der Verwendung von überlappenden Schichten oder übereinander liegenden Schichten von Materialien 161, 162; 305, 306 ist es von Vorteil, die Schicht mit dem kleineren Porendurchmesser zuerst auf dem Schwingkörper des Schwingelements 14 abzuscheiden. Für die Anordnung welche zum Beispiel in 2 gezeigt wird, ist die bevorzugte Wahl der Materialien 161 und 162 so, dass das näher am Schwingelement 14 angebrachte Material 161 einen kleineren Porendurchmesser hat, als das darüber angebrachte Material 162.
  • Bei der Verwendung von verschiedenen Materialien mit ähnlichem Porendurchmesser ist es von Vorteil, das stärker hydrophile Material vorher auf dem Schwingkörper des Schwingelements 14 abzuscheiden.
  • Die Anordnung der einzelnen beschichteten Bereiche des Schwingkörpers des Schwingelements 14 kann symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich der Form des Schwingkörpers erfolgen.
  • Die Menge und Größe der einzelnen beschichteten Bereiche kann sich stark unterscheiden.
  • Die Höhe, Form und das Ausmaß der beschichteten Bereiche können sich stark unterscheiden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mengen an verwendeten definiert porösen Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 unterschiedlich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mengen an verwendeten Materialien so gewählt, dass das Porenvolumen, welches durch Wasser gefüllt werden kann, sich deutlich voneinander unterscheidet.
  • In einer speziell bevorzugten Ausführungsform ist das Porenvolumen des Materials mit dem kleinsten Porendurchmesser deutlich kleiner als das Porenvolumen des Materials mit einem grösseren Porendurchmesser.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform und bei Verwendung vom Materialien mit ähnlichem Porendurchmesser ist das Porenvolumen des hydrophileren Materials deutlich kleiner als das Porenvolumen des weniger hydrophilen Materials.
  • Bevorzugt wird hier das Material in zwei Schritten hergestellt, wobei zuerst ein Vorläufermaterial auf den Schwingkörper des Schwingelements 14 aufgebracht wird (Schritt 1) und dann ein Teil des Vorläufermaterials durch einen weiteren Prozessschritt in ein Material mit anderer Benetzbarkeit überführt wird.
  • Besonders bevorzugte Materialien sind hier Silikat-basierte mikro- oder mesoporöse Materialien und makroporöse Gläser, welche zu einem Teil des Materials durch einen Oberflächenmodifikationsschritt in ein Material mit anderer Benetzbarkeit überführt werden.
  • Geeignete Reagenzien zur Veränderung der Benetzbarkeit der Poren sind hinreichend bekannt, und umfassen die Klasse der Organosilane, Organoborane, Oberflächenaktiven Substanzen, amphiphile Polymere und zahlreiche anderen Materialien.
  • Besonders geeignete Gruppen von Materialien zur Veränderung der Benetzbarkeit sind Trimethoxysilane welche zum Beispiel durch die Firma Gelest kommerziell verfügbar sind.
  • Eine geeignete Kombination von mesoporösen Materialien basiert auf definiert porösen Silikatmaterialien wie MCM41 und derivatisierten Organotri methoxysi lanenen.
  • Geeignete Organosilane sind Alkyl- und Aryl-Trimethoxysilane zur Senkung der Benetzbarkeit der definiert porösen Materialien gegenüber Wasser.
  • Geeignete Organosilane mit Amin, Ammonium, Carboxy-, Sulfonat-, Phosphonat-, Polyglykol-, Polyglycerol- oder Polyacrylat-Funktionalität sind geeignet zur Verbesserung der Benetzbarkeit von definiert porösen Materialien.
  • Die Verwendung von ionischen Organosilanen oder Organosilanen, die eine Salzbildung ermöglichen, kann in bevorzugten Varianten verwendet werden, um die Benetzbarkeit zu verändern.
  • Die Verwendung von Ionischen Organosilanen ist bei Sensoren mit schnellem Ansprechverhalten auf Änderungen der Feuchte oder des Taupunktes von Vorteil.
  • Bei Verwendung von drei und mehr Materialien ist es von Vorteil, wenn die Verhältnisse der Materialmengen der einzelnen Materialien unterschiedlich sind.
  • Bei Verwendung von drei und mehr Materialien ist es von Vorteil, wenn die Menge des Porenvolumens des Materials mit dem kleinsten Porendurchmesser am kleinsten ist.
  • Bei Verwendung von drei und mehr Materialien und bei Verwendung vom Materialien mit ähnlichem Porendurchmesser ist es von Vorteil, wenn die Menge des Porenvolumens des am stärksten hydrophilen Materials am kleinsten ist.
  • Optionale Heizelemente sind dem Fachmann bekannt, und umfassen unter anderem resistive Heizelemente auf der Basis von Platin.
  • Optional kann das Schwingelement durch ein Infrarot oder Lichtemitierendes Element 560 periodisch geheizt werden. Dies ist beispielsweise in 7 dargestellt, wobei im unteren Bereich eine an das lichtemittierende Element anzulegende Spannung und im oberen Bereich ein typisches Frequenzsignal des Schwingelements 14 dargestellt ist.
  • Die Verwendung eines Infrarot oder Lichtemitierenden Elements 560 ist in bestimmten Ausführungsformen von Vorteil.
  • Die Länge der Heizphasen, die Leistung und die Frequenz des Heizintervalle hängt vom Anwendungsfeld des Sensors ab, und kann optional über die Elektronik angepasst werden.
  • Die Länge der Bestrahlung, die Leistung und die Häufigkeit der Bestrahlung hängt vom Anwendungsfeld des Sensors ab und kann optional über die Elektronik angepasst werden.
  • Die Verwendung eines Licht-emitierenden Elements 560 in einem partiell transparenten Gehäuse 500, oder einem Gehäuse 500 mit einer Öffnung 510 kann zusätzlich dazu verwendet werden, um einem Anwender Information über den Betrieb oder Betriebszustand des Sensors 12 zu liefern.
  • Die Parameter der Bestrahlung oder Heizung des Schwingelementes 14 werden in einer bevorzugten Ausführung an die vorher ermittelten Messwerte des Sensors 12 angepasst.
  • Die Dauer und Intensität der Bestrahlung des Schwingelementes 14 ist bei sich rasch ändernden Feuchtebedingungen vorzugsweise höher, als bei vergleichsweise konstanten Feuchtebedingungen.
  • Beim Erfassen eines Anstiegs der relativen Feuchte in einer Gasmischung ist die Dauer und Intensität der Bestrahlung des Schwingelementes 14 kleiner als bei einem Abfall der relativen Feuchte in einer Gasmischung.
  • Die Wahl der definiert porösen Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308, der Anzahl der verwendeten Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 und die Wahl eines Heizelementes oder eines Infrarot oder Licht emittierenden Elementes 560 hängt vom Anwendungsbereich des Sensors 12 ab.
  • Sensoren 12 der hier beschriebenen Art mit wenigstens einem Material, das aufgrund seiner Porenverteilung oder aufgrund anderer Eigenschaften für wenigstens eine Nichtlinearität in dem Ansprechverhalten sorg, sind speziell geeignet, um den Nullpunkt oder einen Referenzpunkt zuverlässig wiederzufinden. Solche Sensoren 12 sind speziell zur langfristigen Überwachung geeignet, da sie weniger oder nicht anfällig auf Drift des Sensorsignales sind.
  • Erwärmen oder Bestrahlen des Schwingelementes 14 führt zu einem oder mehreren nacheinander folgenden Änderungen des Schwingverhaltens des Schwingelementes 14.
  • Änderungen des Schwingverhaltens des Schwingelementes 14 werden durch die Elektronik ausgelesen. Die dazu verwendeten Verfahren, Berechungs- und Auswertemethoden, sowie Schaltungen sind dem Fachmann, z.B. aus dem oben zitierten Stand der Technik bekannt. In geeigneten Schwingelementen 14 ist das geänderte Schwingverhalten einfach in eine Massenänderung des Schwingelementes 14 umrechenbar.
  • Als Resultat eines Erwärmens oder Bestrahlens liefert die Elektronik einen oder mehrere nacheinander folgende Massenänderungen des Schwingelementes 14, wobei die Massenänderung nicht stetig erfolgt, sondern sprunghaft.
  • In einer bevorzugten Ausführung wird das Schwingverhalten des Schwingelementes 14 dahingehend ausgewertet, dass Bereiche unterschieden werden, in denen keine sprunghafte Änderung der Masse erfolgt (stetige Bereiche) sowie Bereiche, in denen eine sprunghafte Änderung der Masse erfolgt (sprunghafte Bereiche).
  • Die Unterscheidung in diese beiden Bereiche erlaubt eine vereinfachte Datenanalyse des Sensorsignals, indem stetige Bereiche dazu verwendet werden, eine Basislinienkorrektur (lineare Drift) zu definieren. Nach Abzug der Basislinienkorrektur sind die Beginn- und Abschlusspunkte eines sprunghaften Bereiches schärfer definiert und damit das Messsignal genauer.
  • Die relative Größe von zwei oder mehreren sprunghaften Bereichen hängt von den verwendeten Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 auf dem Schwingelement 14 ab.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird Information zu den Verhältnissen der Porenvolumen der verwendeten Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 in der Auswertung der Rohdaten der Elektronik verwendet, um die Signalqualität zu verbessern.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Reihe von Materialien in unterschiedlichen Mengen mit deutlich unterschiedlichen Porenvolumen verwendet. Die Reihe von sprunghaften Bereichen aus den Rohdaten kann verbessert ausgewertet werden, da die relativen Massenänderungen (Höhe der Sprünge) bekannt sind, und immer in der gleichen Reihenfolge erfolgen.
  • Zur Verdeutlichung oder zur Illustration sei hier erwähnt, dass ein Sensor 12 der hier beschriebenen Art enthaltend ein Porenvolumen 1 eines ersten definiert porösen Materials 1 (Beispiele: 151, 161, 301, 303, 305, 307) und ein Porenvolumen 2 eines zweiten definiert porösen Materials 2 (Beispiele 152, 162, 302, 304, 306, 308) und der Bedingungen ( Porenvolumen 2 ) = 3 × ( Porenvolumen 1 )
    Figure DE102017127341B4_0001
     ( Porendurchmesser von Material 1 ) < ( Porendurchmesser von Material  2 )
    Figure DE102017127341B4_0002
    bei einem Anstieg der relativen Feuchte in einem zuerst trockenen Gasvolumen zuerst einen kleinen Sprung zeigen wird, und dann später (bei höherer Feuchte) einen weiteren, größeren Sprung in der Masse (gemessen als sprunghafte Änderung der Frequenz). Die errechnete Massenänderung aus den jeweiligen sprunghaften Änderungen der Frequenz sind dabei für einen solchen Sensor 12 in guter Näherung gegeben durch: ( Massenänderung  2 ) = k * 3 * ( Massenänderung 1 ) .
    Figure DE102017127341B4_0003
  • Die Qualität dieser Korrelation lässt sich dabei durch den Faktor „k“ ausdrücken. Der Faktor „k“ ist für gleiche Materialien mit unterschiedlichem Porendurchmesser etwa 1. Für Materialien mit unterschiedlicher Benetzbarkeit können die Abweichungen des Wertes von k = 1 auch grösser sein, und einige % bis einige 10% betragen. Dies ist aber in der Praxis nicht von speziellem Nachteil, da dieser Faktor in die Berechnungsmethode mit berücksichtigt werden kann. Von praktischem Nutzen ist die Tatsache, dass dieser Wert für den Sensor 12 konstant ist, das heißt, der Wert unterliegt wenig oder keiner nennenswerter Drift.
  • Da die relative Höhe der beiden sprunghaften Änderungen also im Voraus bekannt ist, kann die Auswertung der Rohdaten eines Sensors 12 selbst bei Daten mit hohem Rauschen zuverlässig erfolgen. Entsprechende Algorithmen sind bekannt und z.B. in der Telekommunikation und Informatik oft verwendet.
  • Die Verwendung von zahlreichen Materialien führt damit also zu Reihen von sprunghaften Bereiche, welche jeder einzeln durch seine charakteristische Größe erfasst werden kann. Dadurch kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Sensor 12 auch nur kurzzeitig erwärmt oder bestrahlt werden. Damit werden nur ein Teil der sprunghaften Bereiche sichtbar gemacht, und das Bestrahlen oder Heizen erfolgt effizienter, als wenn alle Bereiche aktiviert werden würden.
  • Die Verwendung solcher Reihen von Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 erlaubt die Herstellung von Sensoren 12 mit einem breiten Bereich von Taupunkttemperaturen oder Feuchtegehalten.
  • Die Verwendung von wenigen Materialien erlaubt die einfache Herstellung von Sensoren 12 zur Überwachung eines Sollwertes, oder Alarm- oder Grenzwertes.
  • Der Energiebedarf des Sensors 12 hängt von den Ansprüchen an den Sensor ab, dem Feuchtebereich, der Messfrequenz und anderen Faktoren.
  • Bevorzugte Sensoren 12 zur Überwachung eines großen Gasvolumens mit sehr langsamen Änderungen des Feuchtegehaltes werden periodisch erwärmt, oder bestrahlt, und können so den Nullpunkt oder Referenzpunkt wiederfinden, und sind so gegen langsame Drift des Sensorsignales besser geschützt. Solche Sensoren 12 haben eine sehr tiefe Energieaufnahme, und sind speziell geeignet für schwer zugängliche Stellen, oder bei Sensoren 12, die über Solarzellen oder Batterie betrieben werden, oder Sensoren 12 welche vollständig in einem anderen Gerät oder Raum eingeschlossen sind. Dies ist speziell von Vorteil falls eine Umgebung speziell sauber sein soll, oder unzugänglich wegen toxischen Komponenten oder Feuer- oder Explosionsgefahr. Letztere Bereiche sind speziell interessant, da unter sogenannten Ex Bedingungen die Verwendung von elektrischen Leitungen bevorzugt vermieden wird.
  • Sensoren 12 zur Überwachung eines Grenzwertes werden typischerweise eingesetzt, um einen Anstieg der Feuchte in einer Umgebung zu erfassen, und werden Überwachungssensoren genannt. In einer bevorzugten Ausführung wird dabei der Sensor 12 nur periodisch in Schwingung versetzt, und anhand des Schwingungsverhaltens entschieden, ob keine Anstieg der Feuchte stattgefunden hat, oder ob ein Feuchteanstieg erfolgt. Im ersten Fall kann durch einen Erwärmungs-/Bestrahlungsschritt und Abwesenheit eines sprunghaften Bereiches das Resultat bestätigt werden (kein Anstieg der Feuchte). Im Falle eines Feuchteanstieges kann dies durch einen Erwärmungs-/Bestrahlungsschritt und Detektion eines sprunghaften Bereichs bestätigt werden. Der zeitliche Verlauf des Schwingverhaltens nach Abbruch des Erwärmungs-/Bestrahlungsschrittes kann zudem verwendet werden, um die Größe des Feuchtigkeitsanstieges zu erfassen.
  • Bevorzugte Überwachungssensoren haben einen sehr tiefen Strombedarf, und können bei Ansprechen (Detektion eines Überschreitens eines Grenzwertes) zudem einen Hinweis auf das Ausmaß des Überschreitens des Grenzwertes liefern. Bevorzugte Überwachungssensoren haben daher eine bevorzugte Anordnung der Öffnung 510 im Gehäuse 500 und des Wärme- oder Bestrahlungselementes 560.
  • Bevorzugte Sensoren 12 zur Überwachung von sich rasch ändernden Feuchtebedingungen beinhalten bevorzugt einen Reihe von Materialien und werden vergleichsmäßig oft erwärmt oder bestrahlt.
  • Das Gehäuse 500 und die Anordnung des Schwingelementes 14 und des Heiz- oder Bestrahlungselementes 560 werden in bevorzugten Ausführungsformen des Sensors 12 so gewählt, dass ein Teil des Gehäuses 500 während dem Heiz- oder Bestrahlungsschritt als Kondensationsfläche dient. Dieser Teil des Gehäuses 500 ist bevorzugterweise nahe an mindestens einem der definiert porösen Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 angebracht, bevorzugterweise in einer Anordnung von parallelen Flächen, wobei eine Fläche durch das Schwingelement 14 definiert wird und die zweite Fläche durch den entsprechenden Teil des Gehäuses 500.
  • In dieser Ausführungsform des Sensors 12 ist das Gehäuse 500 nicht nur ein Schutz für das Schwingelement 14, sondern dient als thermisch träges Element und temporärer Kühler, welcher Wasserdampf aus dem definiert porösen Material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 abkühlen kann, und in der Form von Kondensat temporär fixiert.
  • Nach Abschluss der Heiz- oder Bestrahlungsphase kühlt sich das definiert poröse Material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 ab, und das Wasser innerhalb des Gehäuses 500 wird sich teilweise wieder im definiert porösen Material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 ablagern. Ein anderer Teil des Wassers kann durch die Öffnung 510 im Gehäuse in die Umgebung entweichen. Das Schwingungsverhalten des Sensors 12 kann daher mehrmals vor und nach einer Heiz- oder Bestrahlungsphase erfasst werden, und liefert damit die Masse an Wasser in definiert porösem Material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308.
  • Bei schneller Abfolge von Heiz- oder Bestrahlphasen nimmt die Menge an gebundenen Wasser nach jeder Heiz- oder Bestrahlungsphase ab. Die Abnahme der Masse als Funktion der Anzahl, Typ und Dauer, und Abstand der Heiz- oder Bestrahlungsphasen kann als zusätzlich Messgröße zur Bestimmung eines Taupunktes, Taupunkttemperatur oder der Feuchte verwendet werden. Ein solches Verhalten ist in 7 dargestellt. Das Schwingelement 14 hat nach Start der Bestrahlung eine höhere Frequenz (f0). Nach Beenden der Bestrahlungsphase beginnt eine Abkühlphase. Ein Teil der Feuchte im Gehäuse 500 lagert sich langsam wieder auf dem Schwingelement 14 ab (Absinken der Frequenz). Gegen Ende der Abkühlphase wird die Frequenzzunahme langsam und fast linear. Der Unterschied Δf1 gegenüber der Frequenz des Sensors 12 vor Start der ersten Bestrahlungsphase ist charakteristisch für die Geometrie des Gehäuses 500, der Art der Materialien und Anordnung und Größe der Öffnung 510.
  • Eine nächste Heizphase führt wieder zu einem sehr raschen Ansteigen der Frequenz. Nach Beenden der Bestrahlung startet wieder eine Kühlphase. Die Frequenz nimmt wieder ab und sinkt allerdings weniger ab. Der Unterschied Δf2 gegenüber der Frequenz des Sensors vor Start der ersten Bestrahlungsphase, Δf1 und optional weitere solche Frequenzunterschiede Δfi bei Durchführung weiterer (i-2) Bestrahlungsphasen sind charakteristisch für eine bestimmte Feuchte, Geometrie und Gehäuse 500, sowie Länge und Art der Bestrahlung.
  • Bei Verwendung der Sensoren 12 und einem Licht- oder Infrarot Bestrahlungselement 560 kann es von Vorteil sein, die definiert porösen Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 alle oder teilweise mit einem Additiv zu versehen, welches die Aufnahme der Strahlung verändert.
  • Bevorzugte Additive zu den definiert porösen Materialien 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 sind Licht- oder Infrarot absorbierende Materialien.
  • Bevorzugte Additive sind mineralische oder organische Pigmente oder Farbstoffe. Geeignete Materialien zur Absorption von Licht- oder Infrarot Strahlung sind hinreichend bekannt, und umfassen Materialien, welche als Farben kommerziell verfügbar sind.
  • Die Anwendung von geeigneten Additiven kann dazu verwendet werden, die Dauer und Intensität der Heiz- oder Bestrahlungsphasen zu reduzieren. Dies ist von Interesse, da dadurch direkt die Energieaufnahme gesenkt wird.
  • In einer spezifischen Ausführungsform werden mehrere Materialien 16, 18, 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 auf einem Schwingelement 14 angeordnet, wobei die Materialien 16, 18 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 sich durch Porendurchmesser und den Gehalt an Additiven unterscheiden.
  • In dieser speziellen Ausführungsform können Paare von Materialien 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 eingesetzt werden, wobei ein definiert poröses Material einmal ohne und einmal mit dem Additiv eingesetzt wird.
  • Die Verwendung von Anordnungen mit Materialien 161, 162; 305, 306 übereinander, wie in 2 und 5 dargestellt, kann bei dieser speziellen Ausführungsform von Vorteil sein.
  • In solchen speziellen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, ein Material 162, 306 mit kleinerem Porendurchmesser auf ein Material 161, 306 mit größerem Porendurchmesser abzuscheiden, und das Material mit kleinerem Porendurchmesser so anzubringen, dass es mit dem Material mit größerem Porendurchmesser in Kontakt kommt.
  • In einer anderen Ausführungsform des Sensors 12 unter Verwendung eines Licht-emittierenden Elementes 560 ist das Additiv so beschaffen, dass es die Ablagerung von Verunreinigungen auf dem Sensor 12 entfernen kann. Geeignete Materialien sind bekannt und umfassen Titandioxid in seiner Anatas-Kristallform und Licht-emittierende Elemente 560 mit Licht im blauen oder ultravioletten Teil des Spektrums. Solche Sensoren 12 sind für den Einsatz in Gasmischungen geeignet, welche Gase oder flüchtige Substanzen enthalten, die zu Ablagerungen auf den Sensoren 12 führen. Beispiele solcher Umgebungen, die zu Ablagerungen auf den Sensoren 12 führen, sind dem Fachmann bekannt, und umfassen Arbeitsumgebungen der Farb- und Lackindustrie, der Fertigungstechnik oder andere Industrielle Umgebungen, wo flüchtige organische Verbindungen auftreten. Eine andere solche Umgebung ist in der Landwirtschaft oder in der Verarbeitung von Nahrungs- oder Genussmittel zu finden, wo flüchtige Komponenten organischem Ursprungs zu Ablagerungen führen können. Solche Ablagerungen können dann aus kondensierten Terpenderivaten bestehen.
  • In einer anderen Ausführungsform des Sensor 12 werden weitere definiert poröse Materialien (z.B. mehr als zwei) innerhalb des Gehäuses 500 angebracht. Diese zusätzlichen Materialien unterstützen die Funktion des Sensors 12, und können die Genauigkeit oder Zuverlässigkeit des Sensors 12 in bestimmten Umgebungen verbessern.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Öffnung 510 im Gehäuse 500 des Sensors 12 mit einer Membran 550 versehen, welche den Sensor 12 vor Verschmutzung oder dem Eindringen von Flüssigkeiten schützt. Das Gas außerhalb des Gehäuses 500 kann nur durch die Membran 550 mit dem Sensor 12 interagieren. Das Gehäuse 500 ist ansonsten dicht verschlossen, so dass keine Verschmutzungen oder Wasser ins Gehäuse 500 eindringen können.
  • In einer speziell bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 550, welche das Schwingelement 14 schützt gut Wasserdampf-durchlässig und gleichzeitig eine gute Barriere für flüssiges Wasser. Geeignete Membrane für solche Anforderungen sind Gore-Tex-Membrane, Sympathex oder andere Membrane die auch in der Herstellung von Sport- und Outdoor Funktionsbekleidung verwendet werden. Die Eignung der Membrane 550 kann gemessen werden durch die Wasserdampfdurchlässigkeit und die sogenannte Wassersäule, welche den Widerstand gegen das Durchdringen von flüssigem Wasser beschreibt. Geeignete Messverfahren für die Wasserdampfdurchlässigkeit sind nach der ASTM E96 Standard, Prozedur B (Wasser Methode) beschrieben. Geeignete Methoden um die Wassersäule zu messen sind in der Internationalen Norm ISO 811-1981 (E) beschrieben. Membrane 550 mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von mehr als 400 Gramm pro Quadratmeter und Tag bei 23 °C und einer Wassersäule von mehr als 5 Meter sind speziell geeignet.
  • In einer anderen speziellen Ausführungsform besteht die obige Membran 550 aus einem Polymerfilm, welcher sich durch gute Wasserdampfdurchlässigkeit auszeichnet. Geeignete Filme können aus Polyurethanen oder Copolymeren mit hydrophoben und hydrophilen Anteilen hergestellt werden. Solche Membrane 550 sind geeignet, um Sensoren in Bereichen einzusetzen, welche Treibstoff oder andere Lösungsmittel oder Öl enthalten, insbesondere Bereiche, in denen ölige Tröpfchen auftreten können, insbesondere in der Nähe von Maschinen und Motoren, oder in elektronischen Anlagen.
  • Die Anordnung des Heizelementes oder der Infrarot oder Licht-emittierenden Elemente 560 im Sensor 12 ist für spezifische Anwendungsbereiche von spezieller Bedeutung. Insbesondere ist es von Interesse, das Heiz- oder Bestrahlungselement 560 nahe am Schwingelement 14 anzubringen, ohne letzteres in seiner Funktion als Schwingelement 14 zu stören. Geeignete Anordnungen sind daher gegenüber oder schräg, in direktem Sichtkontakt zum Schwingelement 14.
  • In speziellen Anordnungen ist es von Interesse, das Heiz- oder Bestrahlungselement 560 so anzubringen, dass die Öffnung des Gehäuses oder die darauf angebrachte Membran 550 ebenfalls bestrahlt oder geheizt wird.
  • Bei der Verwendung von Licht-emittierenden Elementen 560 kann es von Vorteil sein, das Element 560 so anzuordnen, dass ein Teil des Lichtes nach außen dringen kann, und so Teil eines Signales an einen Verwender des Sensors 12 wird. Das Licht-emittierende Element 560 übernimmt in dieser Ausführungsform also zwei Aufgaben: Bestrahlen des Schwingelementes 14 und Aussenden eines Signales an den Verwender des Sensors 12. Solche Signale sind der Wartung, Kalibration und Überwachung des Zustandes solcher Sensoren 12 von Interesse, da sie auf einfache Weise die Funktion sonstiger Datenauslesegeräte und Peripheriegeräte übernehmen können.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Sensorelement
    12
    Feuchte-Sensor
    14
    Schwingelement
    16
    erstes Material
    18
    zweites Material
    20
    Temperierelement
    100
    Quarz-Schwingelement
    101
    erster Träger
    102
    zweiter Träger
    110
    Metallelektrode
    151
    erstes definiert poröses Material (getrennte Anordnung)
    152
    zweites definiert poröses Material (getrennte Anordnung)
    161
    erstes definiert poröses Material (unten)
    162
    zweites definiert poröses Material (oben)
    200
    Quarz-Stimmgabel
    202
    Halterung
    204
    Schwingbereich
    210
    erster Arm
    211
    Lotstelle
    220
    zweiter Arm
    221
    Lotstelle
    301
    erstes definiert poröses Material
    302
    zweites definiert poröses Material
    303
    erstes definiert poröses Material
    304
    zweites definiert poröses Material
    305
    erstes definiert poröses Material
    306
    zweites definiert poröses Material
    307
    erstes definiert poröses Material
    308
    zweites definiert poröses Material
    500
    Gehäuse
    510
    Öffnung
    550
    Membran
    560
    Licht- oder Infrarot emittierendes Element

Claims (13)

  1. Feuchte-Sensorelement (10) für einen Feuchte-Sensor (12) zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas, umfassend wenigstens ein Schwingelement (14), wenigstens ein erstes Material (16) und wenigstens ein zweites Material (18) auf dem Schwingelement (14), wobei das wenigstens eine erste Material (16) derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei sich über einen ersten Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert, und das wenigstens eine zweite Material (18) derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei über einen zweiten Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert.
  2. Feuchte-Sensorelement (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Material (16) und das zweite Material (18) 2.1 auf der gleichen Seite oder auf entgegengesetzten Seiten des wenigstens einen Schwingelements (14); 2.2 auf einem gleichen Bereich (220) oder auf unterschiedlichen Bereichen (210, 220) des wenigstens einen Schwingelements (14); 2.3 nebeneinander, übereinander oder in ringförmiger oder sich umgebender Anordnung und/oder 2.4 auf unterschiedlichen Armen (210, 220) oder auf dem gleichen Arm (220) eines als Stimmgabel (200) ausgebildeten Schwingelements (14) angeordnet sind.
  3. Feuchte-Sensorelement (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine erste Material (16) und das wenigstens eine zweite Material (18) poröse Materialien (151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) sind, bei denen 3.1 die Porengrößen jeweils derartig gewählt und verteilt sind, dass sich bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte eine sprunghafte Masseänderung einstellt und/oder 3.2 die Abweichung der Porengröße der Poren von der mittleren Porengröße der Materialien jeweils derart gewählt ist, dass sich bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte eine sprunghafte Masseänderung einstellt.
  4. Feuchte-Sensorelement (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine erste Material (16) und das wenigstens eine zweite Material (18) definiert-poröse Materialien (151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) sind.
  5. Feuchte-Sensorelement (10) nach Anspruch 1 oder 2 und nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Material (16; 151; 161; 301; 303; 305; 307) und das zweite Material (18; 152; 162; 302; 304; 306; 308) unterscheiden 5.1 durch ihren mittleren Porendurchmesser und/oder 5.2 durch ihre Benetzbarkeit und/oder 5.3 dadurch, dass sie in Mengen vorgesehen sind, die ein deutlich unterschiedliches Porenvolumen enthalten; und/oder 5.4 durch ihre Strahlenabsorptionsfähigkeit gegenüber einer Licht- oder Infrarot- oder Wärmestrahlung.
  6. Feuchte-Sensorelement (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale: 6.1 dass das wenigstens eine erste Material (16; 151; 161; 301; 303; 305; 307) und das wenigstens eine zweite Material (18; 152; 302; 304; 306; 308) jeweils ausgewählt sind aus der Gruppe der microporösen, mesoporösen und macroporösen Materialien; 6.2 dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen ersten Materials (16; 151; 161; 301; 303; 305; 307) und/oder des wenigstens einen zweiten Materials (18; 152; 302; 304; 306; 308) mit einem oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist; 6.3 dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen ersten Materials und/oder des wenigstens einen zweiten Materials (18; 152; 302; 304; 306; 308) mit einem Organosilan oder Organosiloxan als oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist; 6.4 dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen ersten Materials (16; 151; 161; 301; 303; 305; 307) und/oder des wenigstens einen zweiten Materials (18; 152; 302; 304; 306; 308) mit einem Additiv zur Veränderung der Strahlenabsorptionsfähigkeit gegenüber einer Licht- oder Infrarot- oder Wärmestrahlung versehen oder behandelt ist; 6.5 dass das wenigstens eine Schwingelement (14) als Quarzmikrowaage (100) und/oder als Quarz-Stimmgabel (200) ausgebildet ist;
  7. Verfahren zum Herstellen eines Feuchte-Sensorelements (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend: 7.1 Bereitstellen eines Schwingelements (14) und 7.2 Beschichten des Schwingelements (14) mit wenigstens einem ersten Material (16; 151; 161; 301; 303; 305; 307) und wenigstens einem zweiten Material (18; 152; 302; 304; 306; 308), deren Masse sich bei sich jeweils über einen Feuchtewert hinweg ändernder Feuchtigkeit sprunghaft ändert, wobei Schritt 7.2 enthält: 7.2.1 Aufbringen eines Vorläufermaterials auf dem Schwingelement (14) und 7.2.2 Erzeugen von Poren in dem Vorläufermaterial, um so das Material, dessen Masse sich bei sich über einen Feuchtewert hinweg ändernder Feuchte sprunghaft ändert, zu bilden.
  8. Feuchte-Sensor (12) zur Bestimmung des Feuchtegehalts in einem Gas, umfassend ein Gehäuse (500) mit wenigstens einer Öffnung, ein Feuchte-Sensorelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 innerhalb des Gehäuses (500) und ein Elektronikbauteil zum Ansteuern des Schwingelements (14) und Liefern eines Messsignals.
  9. Feuchte-Sensor (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (500) 9.1 ein Temperierelement (20) zum Beeinflussen der Temperatur der wenigstens zwei Materialien (16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) enthält und/oder 9.2 ein Heizelement zum Beeinflussen der Temperatur der wenigstens zwei Materialien (16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) enthält und/oder 9.3 eine Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlungsquelle (560) zum Bestrahlen der wenigstens zwei Materialien (16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) mit Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlen enthält und/oder 9.4 einen LED-Baustein (560) zum Bestrahlen der wenigstens zwei Materialien (16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) mit Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlen enthält und/oder 9.5 metallisch ausgebildet ist und/oder 9.6 eine planare Fläche gegenüber dem wenigstens einen Schwingelement (14) aufweist und/oder 9.7 eine thermische Masse aufweist, die mehr als 1000mal höher ist als die thermische Masse des auf dem wenigstens einen Schwingelement (14) aufgebrachten wenigstens zwei Materialien (16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) und/oder 9.8 an seiner Öffnung (510) mit einer wasserdampf-durchlässigen, aber wasserabweisenden Membrane (550) verschlossen ist.
  10. Taupunktsensor zum Bestimmen eines Taupunkts in einem Gas, umfassend einen Feuchte-Sensor (12) nach einem der voranstehenden Ansprüche und eine Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur innerhalb des Gehäuses (500), wobei das Elektronikbauteil zum Liefern eines zur Bestimmung des Taupunktes zulassenden Messsignals ausgebildet ist.
  11. Feuchtemessverfahren zum Messen einer Feuchtigkeit in einem Gas, umfassend Verwenden eines Feuchte-Sensorelements (10), dessen Verlauf seines Messsignals in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit wenigstens zwei Nichtlinearitäten aufweist, und Ermitteln eines Referenzwertes anhand der wenigstens zwei Nichtlinearitäten.
  12. Feuchtemessverfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Verwenden eines Feuchte-Sensorelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eines mit dem Verfahren nach Anspruch 7 erhältliches Feuchte-Sensorelement (10) oder eines Feuchte-Sensors (12) nach einem der Ansprüche 8 oder 9.
  13. Feuchtemessverfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte: 13.1 Verwendung von zwei oder mehr sprungartigen Veränderungen des Schwingverhaltens des wenigstens einen Schwingelements zur Referenzwertbestimmung und/oder zum Kalibrieren; 13.2 Erwärmen des wenigstens einen Schwingelements (14) und Erfassen einer oder mehrerer im Verlauf der Erwärmung auftretender sprunghafter Veränderungen der Frequenz des Schwingelements (14); 13.3 mehrmaliges Erwärmen des wenigstens einen Schwingelementes (14) und Erfassen von Änderungen der Frequenz des wenigstens einen Schwingelements (14) während einer Abkühlphase oder Kaltphase zwischen zwei Erwärmungen, wobei insbesondere erfasst wird, ob und in welchem Maße diese Änderungen der Frequenz mit zunehmender Anzahl der Erwärmungs-/Abkühlphasen kleiner werden, und aus dem Abfall dieser Änderung die Feuchte oder der Taupunkt ermittelt wird.
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