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Die Erfindung bezieht sich auf einen Filter für eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Feuchtigkeit eines Mediums in einer Umgebung der Vorrichtung sowie auf eine Vorrichtung mit einem entsprechenden Filter.
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Feuchte- oder Feuchtigkeitssensoren zur Bestimmung und/oder Überwachung der absoluten und/oder relativen Feuchtegehalts der Umgebung weisen typischerweise ein feuchtesensitives Sensorelement auf, von welchem ein von der Feuchtigkeit abhängiges Messsignal empfangbar ist. Dieses Messsignal wird beispielsweise in einer ebenfalls zu dem Messgerät gehörenden Elektronikeinheit aufbereitet und/oder verarbeitet.
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Bekannt geworden sind unter anderem Feuchtesensoren mit feuchtesensitiven Sensorelementen auf Basis eines feuchteempfindlichen Polymers. Zur Bestimmung des Feuchtegehalts kann dann beispielsweise eine kapazitive Messung oder eine resistive Messung vorgenommen werden. Beide Größen, die Kapazität und der Widerstand des Sensorelements, weisen jeweils eine Abhängigkeit vom Feuchtegehalt in der Umgebung des Sensors auf. Im Falle einer kapazitiven Messung ist beispielsweise eine das Polymer enthaltende Schicht zwischen zwei metallischen Elektroden angeordnet und dient als Dielektrikum eines durch die beiden Elektroden gebildeten Kondensators. Bei einem resistiven Feuchtesensor wird hingegen eine Veränderung des Widerstands zwischen den beiden Elektroden detektiert.
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Derartige Sensoren sind häufig ferner mit einer Heizeinheit ausgestattet, um durch Aufheizen des Sensorelements einen wohldefinierten Grundzustand hinsichtlich des Feuchtegehalts innerhalb des feuchteempfindlichen Sensorelements herstellen zu können.
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Feuchtesensoren werden in unterschiedlichsten, häufig auch aggressiven, Umgebungen eingesetzt und müssen je nach Anwendung gegebenenfalls vor verschiedenen ebenfalls in der Umgebung enthaltenen Substanzen geschützt werden. In dieser Hinsicht sind aus dem Stand der Technik verschiedenste Schutzmaßnahmen bekannt geworden, die einerseits einen Schutz des Sensorelements und andererseits einen ausreichenden Stoffaustausch mit der Umgebung, also einen hinreichenden Kontakt des Sensorelements mit der Umgebung, gewährleisten.
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Aus der
EP1055122B1 ist beispielsweise ein Bauelement zur Gaskonzentrationsmessung, insbesondere zur Feuchtemessung, beschrieben, welches ein feuchteempfindliches Sensorelement umfasst. Das Sensorelement ist von einem für das umgebende Gas undurchlässigen, ersten Material, insbesondere einem Kunststoff-Verguss, und in einem Fensterbereich von einem als Filter wirkenden, für das Gas teildurchlässigen, zweiten Material umgeben. Das zweite Material, welches beispielsweise ein Polytetrafluoräthylen, ein Polyäthylen, oder ein Sintermaterial sein kann, dient dabei dazu, einen ausreichenden Kontakt des Sensorelements mit dem Medium zu gewährleisten.
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Der in der
EP3302271A1 beschriebene Sensor umfasst ebenfalls eine Messkammer, in welcher das jeweilige Sensorelement angeordnet ist. In einer Öffnung der Messkammer ist ein Filter angeordnet, und dient einem Austrag bestimmter ungewünschter Stoffe aus der Messkammer.
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Die
DE102007052705A1 und die
WO2015012951A1 offenbaren jeweils Abgassensoren mit einem Sensorelement und einem das Sensorelement umgebenden Filter aus einem Sintermaterial, welcher ebenfalls dem Schutz des Sensorelements dient.
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Bei derartigen Filterelementen besteht jedoch der Nachteil, dass diese nicht für alle in der Umgebung enthaltenen ggf. schädlichen Substanzen einen ausreichenden Schutz gewährleisten können.
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So ist es aus der
WO2014/146959A1 bekannt geworden, zum Schutz vor aggressiven Medien eine Schutzschicht aus Graphenoxid zu verwenden. Eine derartige Schutzschicht ist für Feuchtigkeit permeabel, weist aber andere unerwünschte Schadstoffe aus der Umgebung ab.
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Ähnlich offenbart die
DE102006033251A1 einen Feuchtesensor mit einer Schutzeinrichtung zum Schutz vor schädlichen Einflüssen der ihn umgebenden Atmosphäre. Ein Stoffaustausch erfolgt dann ausschließlich über eine in der Schutzvorrichtung vorgesehene Membran, welche beispielsweise aus Nafion besteht. Nafion ist jedoch neben Wasserdampf auch für andere Stoffe, beispielsweise Alkohole, Aceton, Ammoniak oder Wasserstoffperoxid ebenfalls permeabel, so dass bezüglich dieser Substanzen keine Schutzwirkung besteht.
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Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, auf einfache Art und Weise eine möglichst umfassende Schutzwirkung gegenüber aggressiven Substanzen aus der Umgebung des Sensors zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Filter gemäß Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung nach Anspruch 9.
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Hinsichtlich des Filters wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch einen Filter für eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Feuchtigkeit in einer Umgebung der Vorrichtung, umfassend
- - ein Filterelement mit einer vorgebbaren Porengröße, und
- - ein erstes Polymer, mittels welchem das Filterelement beschichtet ist, und welches erste Polymer dazu ausgestaltet ist, zumindest eine Substanz aus der Umgebung zu binden.
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Erfindungsgemäß wird also ein poröses Filterelement mit einem Polymer beschichtet, welches der Bindung zumindest einer Substanz der Umgebung dient. Das Filterelement mit vorgebbarer Porengröße weist zum einen eine Schutzwirkung vor Partikeln der Umgebung auf, deren Durchmesser größer ist als die Porengröße des Filterelements. Zum anderen ist das poröse Filterelement aber für Substanzen der Umgebung, deren Durchmesser kleiner als die Porengröße ist, permeabel. Es gewährleistet bezüglich dieser Substanzen also einen ausreichenden Stoffaustausch durch das Filterelement hindurch. Vorteilhaft ist das poröse Filterelement feuchtedurchlässig, also insbesondere permeabel für Wasserdampf.
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Die Schutzwirkung ist erfindungsgemäß somit vorteilhaft zweistufig und wird sowohl durch das poröse Filterelement als auch durch das erste Polymer bewerkstelligt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet, dass es sich bei dem ersten Polymer um ein Polymer handelt, welches die Fähigkeit aufweist, zumindest eine, insbesondere gasförmige, Substanz aus der Umgebung zu binden. Durch die Bindung dieser Substanzen werden diese Substanzen also vom Passieren des Filters aufgehalten und können beispielsweise nicht mehr durch das feuchteempfindliche Sensorelement der Vorrichtung gebunden werden.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn es sich bei der Substanz aus der Umgebung um zumindest eine flüchtige organische Verbindung (engl. volatile organic compounds, kurz VOC) handelt. Dabei handelt es sich um leicht verdampfende Verbindungen, die insbesondere bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise Raumtemperatur, bereits als Gas vorliegen. Solche Verbindungen können sehr schädlich für die Sensorelemente von Feuchtesensoren sein.
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In einer Ausgestaltung ist der Filter in Form einer Scheibe, einer Membran, oder eines zylindrischen oder topfförmigen Elements ausgestaltet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht das Filterelement aus einem Sintermaterial, welches insbesondere in einem Sinterprozess hergestellt ist. Bei Sintermaterialien lässt sich die Porengröße der jeweiligen Materialien gezielt einstellen.
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Es ist von Vorteil, wenn der Filter in Form einer Scheibe, einer Membran, oder eines zylindrischen oder topfförmigen Elements ausgestaltet ist.
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Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Porengröße des Filterelements in einem Bereich zwischen 1µm und 1000µm liegt.
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Insbesondere ist die Porengröße derart gewählt, dass das Filterelement undurchlässig für Partikel ab einem vorgebbaren Durchmesser ist. Ebenso ist es von Vorteil, die Porengröße derart zu wählen, dass das Filterelement eine möglichst große Oberfläche aufweist, wenn also die Oberfläche des Filterelements maximiert wird. Die Menge des ersten Polymers, mit welcher das Filterelement beschichtet werden kann, skaliert nämlich mit der für die Beschichtung zur Verfügung stehenden Oberfläche.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Filters ist/sind das Filterelement und/oder das erste Polymer derart ausgestaltet, dass der Filter permeabel für Wasser, insbesondere Wasserdampf, ist.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn der Filter Befestigungsmittel zu insbesondere lösbaren Befestigung des Filters an der Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Feuchtigkeit in einer Umgebung der Vorrichtung umfasst.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Feuchtigkeit in einer Umgebung der Vorrichtung umfassend
- - ein feuchteempfindliches Sensorelement, wobei zumindest eine Eigenschaft des Sensorelements von der Feuchtigkeit der Umgebung beeinflussbar ist, und
- - einen erfindungsgemäßen Filter.
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In einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst das feuchteempfindliche Sensorelement ein zweites Polymer. Es handelt sich also um einen Feuchtesensor auf Polymerbasis.
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In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn es sich bei dem ersten und zweiten Polymer jeweils um das gleiche Polymer handelt. Solche Substanzen der Umgebung, welche ohne die Verwendung eines erfindungsgemäßen Filters von dem Sensorelement aufgenommen werden würden, werden somit bereits innerhalb des Filters gebunden und können entsprechend die messtechnischen Eigenschaften des Sensorelements nicht nachteilig beeinflussen.
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Alternativ ist es von Vorteil, wenn das erste Polymer hydrophober ist als das zweite Polymer. Auf diese Weise kann ein Aufnehmen von Wasserdampf durch das erste Polymer, welches im Filter angeordnet ist, vermieden werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zumindest zwei Elektroden, wobei das feuchteempfindliche Sensorelement zwischen den Elektroden angeordnet ist.
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In dieser Hinsicht ist es von Vorteil, wenn die beiden Elektroden zusammen mit dem Sensorelement ein Kondensatorelement bilden, wobei das Sensorelement als Dielektrikum des Kondensatorelements dient. Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich also um einen kapazitiven Feuchtesensor auf Polymerbasis. Alternativ kann das Sensorelement aber auch ein Widerstandselement bilden, so dass es sich um einen resistiven Feuchtesensor auf Polymerbasis handelt.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht schließlich vor, dass der Filter derart relativ zu dem Sensorelement, insbesondere lösbar, anordenbar ist, dass der Filter das Sensorelement von der Umgebung abtrennt, und ein Stoffaustausch zwischen der Umgebung und dem Sensorelement ausschließlich über den Filter erfolgt.
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Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem Filter erläuterten Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen und umgekehrt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert:
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines kapazitiven Feuchtesensors auf Polymerbasis nach Stand der Technik,
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Filters, wobei in 2a das poröse Filterelement und in 2b das Filterelement mit Polymerbeschichtung dargestellt sind,
- 3 zeigt zwei mögliche Ausgestaltungen eines Filters und dessen Anbringung an einen Feuchtesensor,
- 4 zeigt eine schematische Ansicht eines sich in einem Gehäuse befindlichen Sensorelements eines Feuchtesensors, welches Gehäuse an einer Seite mit einem erfindungsgemäßen Filter abschließt, und
- 5 zeigt eine schematische Darstellung der Konzentration unerwünschter Substanzen innerhalb des Filters als Funktion der Zeit.
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In den Figuren sind gleiche Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine Vorrichtung in Form eines kapazitiven Feuchtesensors auf Polymerbasis.
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1 zeigt eine schematisch dargestellten, kapazitiven Feuchtesensor 1 auf Polymerbasis. Das Messgerät 1 umfasst ein feuchtesensitives Sensorelement 2 mit einer Polymerschicht, welches zwischen zwei Elektroden 3 angeordnet und mittels der Anschlussleitungen 5 mit einer Elektronik 4 verbunden ist, welche unter anderem der Verarbeitung der vom Sensorelement 2 empfangenen Messsignale dient. Der Feuchtegehalt einer Umgebung U des Sensorelements 2 ist in diesem Fall eine Funktion der Kapazität C des durch die Elektroden 3 und des als Dielektrikum wirkenden Sensorelements 2.
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Zum Schutz vor aggressiven Substanzen in der Umgebung U schlägt die vorliegende Erfindung einen Filter 6 vor. Für einen erfindungsgemäßen Filter 6 sind dabei unterschiedlichste Ausgestaltungen denkbar, von denen im Folgenden einige besonders bevorzugte Varianten erläutert werden sollen.
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Der erfindungsgemäße Filter 6 umfasst, wie in 2a dargestellt, ein Filterelement 7 mit vorgebbarer Porengröße P. Die Porengröße P ist derart gewählt, dass das Filterelement 7 undurchlässig für Partikel ab einem vorgebbaren Durchmesser d ist. Für kleinere Partikel ist das Filterelement 7 dagegen permeabel.
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Das Filterelement 7 ist ferner, wie in 2b dargestellt mit einem ersten Polymer 8 beschichtet. Die Polymerbeschichtung 8 dient der Bindung zumindest einer unerwünschten Substanz aus der Umgebung U, insbesondere einer Substanz welche aufgrund der relevanten Partikelgröße das Filterelement 7 passieren kann.
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Um eine möglichst gute Filterwirkung erzielen zu können wird bei der Wahl der Porengröße P weiterhin berücksichtigt, die Oberfläche des Filterelements 7 möglichst groß zu wählen. Die Porengröße P ist also zum einen bezüglich der in der Umgebung U auftretenden Partikelgrößen und hinsichtlich der erzielbaren Oberfläche zu optimieren.
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Der erfindungsgemäß Filter 6 dient dem Schutz eines Sensorelements 2 eines Feuchtesensors 2 vor zumindest einer, insbesondere mehreren unerwünschten Substanzen aus der Umgebung U. Der Filter 6 ist vorzugsweise derart ausgestaltet und angeordnet, dass ein Stoffaustausch zwischen der Umgebung U und dem Sensorelement 2 ausschließlich über den Filter 6 erfolgt.
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Im Falle eines Sensorelements 2, wie in 1 dargestellt, kann der Filter 6 beispielsweise so beschaffen sein, dass er direkt an das Sensorelement 2 und die beiden Elektroden 3 angrenzt. Beispielsweise in Form der Filter 6' die Form einer Scheibe oder einer Membran aufweisen, wie in 3a skizziert. Ebenfalls ist es aber denkbar, den Filter 6" in Form eines zylindrischen oder topfförmigen Elements auszugestalten, wie in 3b illustriert.
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In vielen Fällen ist das Sensorelement 2 eines kapazitiven Feuchtesensors 1 in einem Gehäuse 9 angeordnet, wie in 4 dargestellt. In diesem Fall kann das Gehäuse 9 beispielsweise auf einer Seite mit dem Filter 6 abschließen. Für das in 4 gezeigte Beispiel handelt es sich, wie im Falle der 3a, um einen scheibenförmigen Filter 6, welcher beispielsweise mittels einem beliebigen, dem Fachmann bekannten Befestigungsmittel 10, an dem Gehäuse 9 befestigt sein kann.
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Vorzugsweise ist der Filter 6 unabhängig von der konstruktiven Ausgestaltung jeweils lösbar mit dem Messgerät 1 verbunden, damit der Filter 6 unabhängig vom verwendeten Messgerät 1 austauschbar ist.
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Der Filter 6 in 4 ist dergestalt, dass Wasserdampf 12 den Filter 6 passieren kann. Flüchtige organische Substanzen 11 dagegen werden durch das Polymer 8, mit welchem das Filterelement 7 beschichtet ist, gebunden. Diese Substanzen erreichen somit nicht das Sensorelement 2.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung beinhaltet in dieser Hinsicht, dass es sich bei dem für den Filter 6 verwendeten ersten Polymer 8 und bei dem für das Sensorelement verwendeten, zweiten Polymer 13 um dasselbe Polymer handelt. Beide Polymere 8 und 13 können demnach dieselben Substanzen 11 binden. Durch diese Ausgestaltung kann also gezielt eine Verunreinigung des Sensorelements 2 durch die Bindung unerwünschter Substanzen selektiv für das jeweils verwendete Polymer 8, 13, verhindert bzw. reduziert werden.
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Eine alternative bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Polymer 8 hydrophober ist als das zweite Polymer 13. Hierdurch kann wiederum erreicht werden, dass kein Wasserdampf 12 im Filter 6 gebunden wird.
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In 5 ist schließlich die Konzentration C von in einem erfindungsgemäßen Filter 6 gebundener Substanzen 11 als Funktion der Zeit t dargestellt. Die Konzentration C steigt zunächst mit zunehmender Zeit an und gerät dann in Sättigung. In der Sättigung wird die Filterwirkung deutlich reduziert. Deswegen wird zu einem vorgebbaren Zeitpunkt tc , zu welchem eine vorgebbare Konzentration Cc der Substanzen 11 im Filter 6 gebunden ist, ein Austausch des Filters 6 vorgenommen.
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Vorteilhaft bietet der erfindungsgemäße Filter 6 einen umfassenden Schutz vor unterschiedlichsten störenden Substanzen 11 in der Umgebung U des Messegeräts 1. Der erfindungsgemäße Filter kann darüber hinaus unabhängig vom Messgerät 1 ausgetauscht werden. So kann im fortlaufenden Betrieb des Messgeräts 1 stets eine gute Filterwirkung gewährleistet werden. Ohne einen erfindungsgemäßen Filter 6 müsste das Messgerät 1 selbst in bestimmten Zeitabständen wegen Sättigung des Sensorelements 2 mit unerwünschten Substanzen 11 ausgetauscht werden. Dies kann durch Verwendung des Filter 6 vermieden werden. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird durch den Filter eine zweistufige Filterung gewährleistet. Durch das poröse Filterelement werden größere Partikel gefiltert, während das Polymer 8 der Filterung kleinerer Partikel, insbesondere flüchtiger chemischer Substanzen, dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung, Feuchtesensor, Messgerät
- 2
- Feuchteempfindliches Sensorelement
- 3
- Elektroden
- 4
- Elektronik
- 5
- Anschlussleitungen
- 6
- Filter
- 7
- Filterelement
- 8
- erstes Polymer
- 9
- Gehäuse
- 10
- Befestigungsmittel
- 11
- Unerwünschte Substanz
- 12
- Wasserdampf
- 13
- zweites Polymer
- U
- Umgebung
- C
- Konzentration
- t
- Zeit
- Cc
- Vorgebbare Konzentration
- tc
- vorgebbarer Zeitpunkt
- C
- Kapazität
- P
- Porengröße
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1055122 B1 [0006]
- EP 3302271 A1 [0007]
- DE 102007052705 A1 [0008]
- WO 2015012951 A1 [0008]
- WO 2014/146959 A1 [0010]
- DE 102006033251 A1 [0011]
