DE19821321C2 - Verfahren zum Messen der Dampfdurchlaßgeschwindigkeit eines Testmaterials - Google Patents
Verfahren zum Messen der Dampfdurchlaßgeschwindigkeit eines TestmaterialsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Dampf
durchlaßgeschwindigkeit eines Testmaterials nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
In Systemen zum Messen von Dampfdurchlaßgeschwindigkeiten ist
es notwendig, die wesentlichen Parameter, die die Dampfdurchlässigkeit
beeinträchtigen, sorgfältig zu steuern. Es ist beispielsweise bekannt,
Testmaterial als Trennwand zwischen einer Dampfquelle und einem Dampf
detektor anzuordnen und die Dämpfe zu messen, die hindurchdiffundieren.
Die Triebkraft zum Erzeugen der Dämpfe sind Druck und Temperatur, wobei
diese Parameter sorgfältig kontrolliert werden müssen. Hierzu kann bei
spielsweise der Dampfdruck einer Flüssigkeit bei atmosphärischem Druck
und Umgebungstemperatur verwendet werden, wobei die verdampfte Flüssig
keit durch eine geschlossene Kammer und durch das Testmaterial diffun
diert. Wenn die Durchlaßgeschwindigkeit sehr gering ist, kann der Dampf
druck an der Flüssigkeitsoberfläche als auch an der Oberfläche des zu
prüfenden Materials als gleich angenommen werden, wobei der Dampfdetek
tor sich bei atmosphärischem Druck auf der anderen Seite des Materials
befindet. Daher wird der Druckabfall über dem Prüfmaterial einfach als
der Dampfdruck der Flüssigkeit betrachtet, die den Dampf bei Umgebungs
temperatur der Prüfeinrichtung erzeugt. Diese Annahme ist allgemein für
Dampfdurchlaßgeschwindigkeiten kleiner als etwa 500 g/m2/Tag richtig.
Wenn jedoch die Dampfdurchlaßgeschwindigkeit größer wird, wird der Luft
raum in der geschlossenen Prüfkammer zwischen der Flüssigkeit und dem
Prüfmaterial zu einem Faktor, der bei der Messung zu berücksichtigen
ist. Der Druck an der Oberfläche des Prüfmaterials ist nicht der gleiche
wie der Dampfdruck an der Flüssigkeitsoberfläche, ein unbekannter Druck
gradient entwickelt sich zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und der
Materialoberfläche wegen der höheren Dampfdurchlaßgeschwindigkeit. Die
ser unbekannte Druckgradient wird für den Meßvorgang um so kritischer,
je mehr der obige Wert überschritten wird, und führt dann zu entspre
chend ungenauen Meßergebnissen.
Um diese Unsicherheiten auszuschalten, ist versucht worden, in
einem Behälter befindliche Flüssigkeit, der durch das zu prüfende Mate
rial verschlossen ist, zu Beginn und nach einer bestimmten Zeit der
Flüssigkeitsverdampfung sehr genau zu messen, um über die Berechnung des
Gewichtsverlustes die Dampfdurchlaßgeschwindigkeit pro Zeiteinheit zu
bestimmen. Hierbei ergeben sich jedoch große Unsicherheiten bezüglich
der Prüfbedingungen in bezug auf Druck und Temperatur.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das es ermöglicht, bei stark
dampfdurchlässigen Materialien genaue Prüfergebnisse hinsichtlich der
Dampfdurchlaßgeschwindigkeit zu erzielen.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 gelöst.
Diese Bestimmung der Dampfdurchlaßgeschwindigkeit beruht auf
der Annahme, daß der Widerstand in bezug auf die Dampfströmung durch den
Luftraum in beiden Fällen, d. h. für das bekannte Material der Membran
und im Falle der Messung bei vorhandener Membran aus bekanntem Material
und einer solchen aus Prüfmaterial gleich ist, wobei durch den zweistu
figen Prozeß dieser unbekannte Widerstand eliminiert werden kann.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden
Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.
Hierbei verwendet man zweckmäßigerweise eine Testzelle, in der
eine untere und eine obere Kammer durch eine Membran getrennt sind, wo
bei eine Quelle für Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in der unteren
Kammer angeordnet ist, während man in die obere Kammer ein Trägergas mit
bekannter Volumendurchflußrate strömen läßt, die relative Feuchtigkeit
des Trägergases mißt, eine erste Durchflußgeschwindigkeit berechnet, die
das Produkt der relativen Feuchtigkeit, der Trägergasdurchflußrate und
einer Variablen K(T, P) ist, die das Gewicht des Dampfes pro cm3 unter
den Testbedingungen von Temperatur und Druck ist, dem Wert des bekannten
gesättigten Dampfdrucks um einen Wert reduziert, der das Produkt des
bekannten gesättigten Dampfdrucks und des Prozentsatzes der relativen
Feuchtigkeit ist, um einen ersten reduzierten Dampfdruckwert zu erhal
ten, das Reziproke einer ersten Dampfdurchlaßgeschwindigkeit durch Di
vidieren des ersten reduzierten Dampfdruckwertes durch die erste Durch
flußgeschwindigkeit berechnet, benachbart zur Membran aus bekanntem
Material eine solche aus Testmaterial zwischen der oberen und unteren
Kammer anordnet, einen neuen Prozentsatz der relativen Feuchtigkeit im
Trägergas mißt, eine zweite Durchflußgeschwindigkeit als Produkt des
neuen Prozentsatzes der relativen Luftfeuchtigkeit, der bekannten Trä
gergasdurchflußrate und des Werte K(T, P) berechnet, den bekannten ge
sättigten Dampfdruck um einen zweiten Wert reduziert, der das Produkt
des bekannten gesättigten Dampfdrucks und der gemessenen relativen
Feuchtigkeit ist, um einen zweiten reduzierten Dampfdruckwert zu erhal
ten, das Reziproke einer zweiten Dampfdurchlaßgeschwindigkeit durch
Dividieren des zweiten reduzierten Dampfdruckwertes durch die zweite
Durchflußgeschwindigkeit berechnet und das Reziproke der ersten Dampf
durchlaßgeschwindigkeit vom Reziproken der zweiten Dampfdurchlaßge
schwindigkeit subtrahiert und das Reziproke des Resultats sind, um die
Dampfdurchlaßgeschwindigkeit durch die Membran aus Testmaterial zu be
stimmen.
Das Verfahren zum Bestimmen der Dampfdurchlaßgeschwindigkeit
eignet sich für Durchlaßraten im Bereich größer 500 g/m2/Tag, d. h. für
relativ poröse Materialien mit sehr hoher Permeabilität, die den Durch
tritt einer relativ hohen Dampfvolumenmenge pro Zeiteinheit ermöglichen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Abbildungen näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Testzelle zum Messen der Dampf
durchlaßgeschwindigkeit bei einer einzelnen Membran.
Fig. 2 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis für die
Testzelle von Fig. 1.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Testzelle zum Messen der Dampf
durchlaßgeschwindigkeit durch eine Kombination von zwei Membranen.
Fig. 4 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis für die
Testzelle von Fig. 3.
Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm für das Verfahren.
Gemäß Fig. 1 ist eine Testzelle 10 mit einer oberen Kammer 12
und einer unteren Kammer 14 vorgesehen, zwischen denen eine Membran 16
aus Probenmaterial eingeklemmt ist. Eine flüssigkeitsdampferzeugende
Quelle 20 ist in der unteren Kammer 12 enthalten, wobei von der Quelle
20 erzeugte Dämpfe die untere Kammer 12 füllen. Eine kleine Belüftungs
öffnung 11 durchdringt die Wandung der unteren Kammer 12, um sicherzu
stellen, daß der Gesamtdruck in der Kammer 12 gleich dem atmosphärischen
Druck außerhalb der Testzelle 10 ist. Der Querschnitt der Öffnung 11 ist
sehr klein, beispielsweise etwa 0,15 mm, im Vergleich mit der Fläche der
Membran 16.
Die obere Kammer 14 besitzt einen Trägergaseinlaß 22 und einen
Gasauslaß 24. Ein geeigneter Dampfdetektor 30 ist im Gasauslaß 24 an
geordnet oder diesem zugeordnet. Ein inertes Trägergas wie Stickstoff
wird durch den Trägergaseinlaß 22 in die obere Kammer 14 ein- und durch
den Gasauslaß 24 abgeführt. Das Trägergas dient dazu, in die obere
Kammer 14 diffundierte Dämpfe zu sammeln und zum Dampfdetektor 30 zu
führen. Die in Fig. 1 dargestellte Prüfeinrichtung ist in einer Umgebung
mit kontrollierten Umgebungsbedingungen bezüglich Druck und Temperatur
enthalten, wobei Prüfungen, die nacheinander durchgeführt werden, unter
konstanten Temperatur- und Druckbedingungen vorgenommen werden.
Fig. 2 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Prüf
einrichtung von Fig. 1 zur Erläuterung der Wirkungsweise der letzteren.
Die Spannungsquelle V1 ist das elektrische Analogon für die den Dampf
druck an der Oberfläche der Quelle 20 erzeugenden Kraft. Der Dampfdruck
bei Umgebungsdruck und -temperatur ist eine bekannte oder ableitbare
Größe. Die Spannungsquelle V2 ist das elektrische Analogon für den durch
den Dampfdetektor 30 gemessenen Dampfdruck. Der Widerstand R1 ist das
elektrische Analogon für den Diffusionswiderstand, der durch die Luft
bereiche in der Testzelle 10 gebildet wird, wobei dieser Widerstand zu
einem unbekannten Druckgradienten über dem Testbereich führt. Der Wider
stand RS ist das elektrische Analogon für die Membran 16, durch die die
Dämpfe diffundieren. Der Stromwert I1 ist das elektrische Analogon für
den Dampffluß, der durch die Testzelle 10 mit einer konstanten Rate
fließt und den Dampf zum Dampfdetektor 30 fördert. In elektrischen Aus
drücken sind die Werte von "R" gleich dem Reziproken des Leitwerts der
entsprechenden physikalischen Größen, der in Ausdrücken der Prüfeinrich
tung äquivalent zu dem Reziproken der Durchlaßgeschwindigkeit ist. Daher
ist der Wert R1 das Reziproke der Transmissionsrate über den Luftraum in
der Testzelle 10 hinweg, während der Wert RS das Reziproke der Durch
laßgeschwindigkeit durch die Membran 16 ist. Die Werte R1 plus RS sind
gleich dem Reziproken der Gesamtdurchlaßgeschwindigkeit von Luftraum und
Membran 16.
Der Wert V1 ist gleich dem Dampfdruck an der Oberfläche der
Quelle 20 und wird als 100% relative Feuchtigkeit bei der Prüftempera
tur und dem Prüfdruck angenommen. Wenn angenommen wird, daß die Flüssig
keit Wasser ist, ist der Wert V1 der Dampfdruck des Wassers bei Umge
bungsdruck und -temperatur der Testzelle 10. In diesem Fall ist der Wert
V2 gleich dem Dampfdruck der Flüssigkeit (V1) multipliziert mit der
relativen Feuchtigkeit des Trägergasstroms bei der Prüftemperatur und
dem Prüfdruck. Der Stromwert I1 ist das elektrische Analogon für die
Volumendurchflußrate pro Zeiteinheit des Dampfs bei der Prüftemperatur
und dem Prüfdruck. Der Wert V1 ist eine bekannte Größe, wenn die Prüf
temperatur und der Prüfdruck sowie die Flüssigkeit der Quelle 20 bekannt
sind. Der Wert V2 ist eine bekannte Größe, da sie durch Messen der rela
tiven Feuchtigkeit am Gasauslaß 24 und Multiplizieren dieses Wertes mit
dem Wert V1 berechnet werden kann.
Die Werte R1 und RS sind beide unbekannt, da der Druckgradient
über dem Luftraum in der Testzelle 10 anfänglich ein unbekannter Wert
ist. Das physikalische Äquivalent für den Wert von I1 kann durch den
Dampfdetektor 30 gemessen werden, der in dem Weg des Gasauslasses 24 der
oberen Kammer angeordnet ist. Beispielsweise kann in einer Testzelle 10,
die Wasser als Prüfflüssigkeit verwendet, der Dampfdetektor 30 ein Gerät
zum Messen der relativen Feuchtigkeit sein. Das Trägergas ist typischer
weise Stickstoff und die Durchflußrate des Trägergases wird sorgfältig
gesteuert und ist bekannt. Daher kann der physikalische Wert äquivalent
zum Stromwert I1 dadurch berechnet werden, daß die Trägergasdurchfluß
rate gemessen in Volumenfluß pro Zeiteinheit genommen und mit der rela
tiven Feuchtigkeit, gemessen durch den Dampfdetektor 30, sowie mit einer
Variablen K(T, P) multipliziert wird. Die Variable K(T, P) wird bei 100%
relativer Feuchtigkeit von Wasser bestimmt und ist das Gewicht des
Dampfes pro cm3 unter den Prüfbedingungen bezüglich Temperatur und
Druck. Die Variable K(T, P) kann aus einem Handbuch für Chemie und Physik
bestimmt oder auch berechnet werden.
Die vorgenannten bekannten und gemessenen Größen führen zur
Berechnung der gesamten Dampfdurchlaßgeschwindigkeit (TRA) in der Test
zelle 10 von Fig. 1:
Die vorstehende Analyse liefert nicht die Dampfdurchlaßge
schwindigkeit der Membran 16 an sich, sondern bloß die Dampfdurchlaß
geschwindigkeit durch die gesamte Testzelle 10, d. h. der Lufträume und
der Membran 16. Dies ist so, weil es unmöglich ist, den Dampfdruck an
der Oberfläche der Membran 16 aufgrund des unbekannten Druckgradienten
zu messen, der über den Luftraum hinweg auftritt. Von der Membran 16
wird natürlich angenommen, daß es sich um eine solche bekannten Typs mit
hoher Dampfdiffusionsgeschwindigkeit handelt, bei der kein besonderes
Interesse in der Bestimmung der spezifischen Dampfdurchlaßgeschwindig
keit besteht.
Aus den Fig. 3 und 4 ergeben sich weitere Schritte, die not
wendig sind, um die Dampfdurchlässigkeit durch eine Prüfmembran, für die
eine derartige Information erwünscht ist, zu berechnen. Gemäß Fig. 3 ist
zusätzlich eine Prüfmembran 40 über die Membran 16 gelegt und beide
Membranen 16, 40 sind zwischen der unteren und oberen Kammer 12, 14
eingeklemmt. Die gleichen Prüfbedingungen wie bei Fig. 1 werden nun bei
der Anordnung von Fig. 3 angewandt. Nachdem sich die Verdampfungsbedin
gungen stabilisiert haben, wird der Dampfdetektor 30 dazu verwendet, den
aus dem Gasauslaß 24 austretenden Dampf zu messen. Im Falle von Wasser
als Flüssigkeit in der Quelle 20 ist der Dampfdetektor 30 ein Sensor für
die relative Feuchtigkeit.
Das elektrische Analogon von Fig. 3 ist in Fig. 4 dargestellt,
wobei die Spannung V2' die treibende Kraft des Dampfdrucks am Gasauslaß
24 ist. Der Wert von V2' wird durch Multiplizieren des Werts V1 durch
die durch den Dampfdetektor 30 gemessene relative Feuchtigkeit berech
net. Die gemessene relative Feuchtigkeit kann sehr unterschiedlich von
derjenigen sein, die im Zusammenhang mit Fig. 1 gemessen wurde. Ähnlich
wird der Strom I2 durch Multiplizieren der Trägergasdurchflußrate mit
dem gemessenen Prozentsatz der relativen Feuchtigkeit und der Variablen
K(T, P) berechnet, wobei angenommen wird, daß die Testbedingungen be
züglich Temperatur und Druck identisch zu denjenigen der Analyse sind,
die im Zusammenhang mit Fig. 1 vorgenommen wurde. Die vorgenannten be
kannten und gemessenen Größen führen zur Berechnung der Dampfdurchlaß
geschwindigkeit TTOT der Testzelle gemäß Fig. 3:
Da der Wert der Summe (R1 + RS) aus der vorhergehenden Berech
nung bekannt ist, kann der Wert RT bestimmt werden.
Der Wert von TRT ist die Dampfdurchlaßgeschwindigkeit durch
die Prüfmembran 40, die gewöhnlich in g/Zeiteinheit/mmHg angegeben wird.
Gemäß dem in Fig. 5 dargestellten Flußdiagramm wird in einem
Schritt 101 die Membran 16 aus bekanntem Probenmaterial in der Testzelle
10 angeordnet und dem Verdampfungsprozeß der Flüssigkeit ausgesetzt, die
in der unteren Kammer 12 enthalten ist, während ein Trägergas durch die
obere Kammer 14 geführt wird. Hierbei wird angenommen, daß die Umge
bungstemperatur und der Umgebungsdruck konstant gehalten werden und die
Trägergasdurchflußrate sorgfältig gemessen wird. Der Verdampfungsvorgang
setzt sich fort, bis stabile Bedingungen erreicht sind.
In Schritt 102 wird ein Ablesen des Dampfdetektors 30 vorge
nommen und die Trägergasdurchflußrate gemessen. In Schritt 103 wird die
Trägergasdurchflußrate mit dem vom Dampfdetektor 30 abgelesenen Wert und
der Variablen K(T, P) multipliziert, um eine erste Dampfdurchlaßgeschwin
digkeit in Dampfgewicht pro Zeiteinheit zu liefern, die durch den Gas
auslaß 24 der Testzelle 10 führt.
In Schritt 104 erfolgt eine Berechnung, um das Reziproke der
ersten Dampfdurchflußgeschwindigkeit zu erhalten. Dieser Wert wird be
stimmt durch Subtrahieren des Produkts aus Dampfdruckantriebskraft und
gemessener relativer Feuchtigkeit von der Dampfdruckantriebskraft und
Dividieren des Resultats durch die berechnete Dampfdurchlaßgeschwindig
keit I1.
In Schritt 105 wird die Testzelle 10 geöffnet und eine Prüf
membran in die Testzelle 10 unmittelbar benachbart zur bereits vorher
dort angeordneten Membran 16 angeordnet. Wiederum wartet man ab, bis
stabile Bedingungen eintreten.
In Schritt 106 wird die Messung des Dampfdetektors 30 genommen
und die Trägergasdurchflußrate sorgfältig überwacht. In Schritt 107 wird
eine neue Berechnung der Dampfdurchlaßgeschwindigkeit I2 unter Verwen
dung der neuen Prüfbedingungen vorgenommen. In Schritt 108 wird das
Reziproke der zweiten Dampfdurchlaßgeschwindigkeit in der gleichen Weise
wie für die erste Dampfdurchlaßgeschwindigkeit berechnet.
In Schritt 109 wird das Reziproke der Prüfdurchlaßgeschwindig
keit bestimmt, indem das Reziproke der zweiten Dampfdurchlaßgeschwindig
keit vom Reziproken der ersten Dampfdurchlaßgeschwindigkeit subtrahiert
wird. Schließlich wird in Schritt 110 der reziproke Wert des in Schritt
109 erhaltenen Resultats gebildet, der die Dampfdurchlaßgeschwindigkeit
des Testmaterials darstellt.
Claims (6)
1. Verfahren zum Messen der Dampfdurchlaßgeschwindigkeit eines
Testmaterials unter kontrollierten Druck- und Temperaturbedingungen
unter Verwendung einer zweikammerigen Testzelle (10) mit zwischen deren beiden Kammern (12, 14) angeordneter Membran (16), wobei eine Flüssigkeitsdampf erzeugende Quelle (20) mit einer Flüssigkeitsoberfläche und einem bekannten Dampfdruck in einer Kammer (12) und ein Trägergaseinlaß (22) und ein Gasauslaß (24) jeweils in der anderen Kammer (14) vorgesehen sind und ein Dampfdetektor (30) die durch den Gasauslaß (24) strömenden Dämpfe feststellt, dadurch gekennzeichnet, daß
unter Verwendung einer zweikammerigen Testzelle (10) mit zwischen deren beiden Kammern (12, 14) angeordneter Membran (16), wobei eine Flüssigkeitsdampf erzeugende Quelle (20) mit einer Flüssigkeitsoberfläche und einem bekannten Dampfdruck in einer Kammer (12) und ein Trägergaseinlaß (22) und ein Gasauslaß (24) jeweils in der anderen Kammer (14) vorgesehen sind und ein Dampfdetektor (30) die durch den Gasauslaß (24) strömenden Dämpfe feststellt, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Trägergasdurchflußgeschwindigkeit und der Prozentsatz des vom Dampfdetektor (30) festgestellten Dampfes gemessen werden,
- b) die Dampfdurchflußgeschwindigkeit am Gasauslaß (24) berechnet wird,
- c) der Dampfdruckabfall zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem Gasauslaß (24) berechnet wird,
- d) eine erste Gesamtdampfdurchlaßgeschwindigkeit TRA durch Dividieren der Dampfdurchflußrate durch den Dampfdruckabfall zwischen der Flüssigkeitsoberfläche und dem Gasauslaß (24) berechnet wird,
- e) eine Prüfmembran (40) aus Testmaterial benachbart zur Membran (16) in der Testzelle (10) angebracht wird,
- f) die Schritte a) bis c) wiederholt werden,
- g) eine zweite Gesamtdampfdurchlaßgeschwindigkeit TTOT durch Dividieren der zweiten berechneten Dampfdurchflußrate durch den zweiten berechneten Dampfdruckabfall berechnet wird, und
- h) die Dampfdurchlaßgeschwindigkeit TRT durch das Testmaterial entsprechend
1/TRT = 1/TTOT - 1/TRA
berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Berechnen
der Dampfdurchflußrate die gemessene Trägergasdurchflußgeschwindigkeit mit
dem Prozentsatz des durch den Dampfdetektor (30) festgestellten Dampfes
multipliziert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
beim Berechnen des Dampfdruckabfalls der bekannte Dampfdruck mit dem durch
den Dampfdetektor (30) festgestellten Dampf multipliziert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine wässrige Flüssigkeit, insbesondere Wasser, im Zusam
menhang mit dem Dampfdetektor (30) verwendet wird, der die relative
Feuchtigkeit feststellt, wobei das Berechnen der ersten und zweiten
Dampfdurchlaßgeschwindigkeit jeweils das Messen des Prozentsatzes der
relativen Feuchtigkeit des Trägergases umfaßt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Testzelle (10) verwendet wird, die eine obere und eine untere
Kammer (12, 14) aufweist, wobei die untere Kammer (12) die Quelle (20) für
Flüssigkeitsdampf enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß über den Trägergaseinlaß (22) Trägergas mit vorbestimmter
Volumendurchflußrate eingeführt wird.
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