DE19821321C2 - Verfahren zum Messen der Dampfdurchlaßgeschwindigkeit eines Testmaterials - Google Patents

Verfahren zum Messen der Dampfdurchlaßgeschwindigkeit eines Testmaterials

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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
  • 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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