DE2221656A1

DE2221656A1 - Feuchtigkeitsmessgeraet

Info

Publication number: DE2221656A1
Application number: DE19722221656
Authority: DE
Inventors: Thoma Paul Edward
Original assignee: Johnson Service Co
Current assignee: Johnson Service Co
Priority date: 1971-05-06
Filing date: 1972-05-03
Publication date: 1972-11-09
Also published as: FR2135320A1; AU4161672A; CA959287A; US3802268A; AU460321B2; FR2135320B1; IT957725B; GB1361581A

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein verbessertes kapazitives Feuchtigkeitsmeßelement, das die .bei den Feuchtigkeitsmeßelementen nach dem Stande der Technik auftretenden Probleme zu überwinden gestattet. Erfindungsgemäß enthält das Feuchtigkeitsmeßgerät ein Element miteinem feuchtigkeitsempfindlichen dielektrischen Kern, wooei auf die entgegengesetzten Oberflächen des Kerns Elektrodenschichten einstückig aufgebunden sind. Jede Elektrodenschicht besteht aus einem Gefüge aus einem dielektrischen, feuchtigkeitsdurchlässigen Material und

209846/09

einer Vielzahl von miteinander verbundenen, elektrisch leitenden Teilchen, beispielsweise Kohlenstoffteilchen, die in den Elektrodenschichten dispergiert sind.

Wenigstens eine der Elektrodenschichten weist eine Länge und Breite auf, die geringer als dii entsprechenden Dimensionen des Kernes sind, so daß die Enden und Seitenkanten des Kernes über die Elektrodenschicht vorstehen. Das Element wird vorzugsweise in U-förmiger Gestalt verwendet, wobei die Enden des Elementes mit einem isolierenden Rahmen verbunden sind. Kleine Tropfen aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Silberfarbtropfen, werden auf die beiden Elektrodenschichte aufgebracht und beim Einbau des Elementes im Rahmen werden die Tropfen aus dem elektrisch leitenden Material gegen elektrische Kontakte am Rahmen gepreßt, die wiederum mit Anschlüssen verbunden sind.

Bei dem Peuchtigkeitsmeßgerät gemäß der Erfindung liefern Änderungen der relativen Feuchtigkeit Änderungen in der Kapazität des Elementes und diese Änderungen lassen sich in ein Signal umwandeln, um die relative Feuchtigkeit direkt anzuzeigen oder ein Feuchtigkeitskontrollsystem zu betätigen.

Zur Steigerung der Ansprechgeschwindigkeit des Elementes auf Änderungen in der relativen Feuchtigkeit kann die Außenoberfläche des Gefüges der Elektrodenschichten hydrolysiert sein.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung kann ein dielektrischer Streifen auf jeder Seitenkante

209846 /0929

der Elektrodenschicht aufgeoracht werden, die sich über die volle Breite des Kernes erstreckt und die Kantenstreifen, die vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung und Dicke wie die dielektrische Kernschicht aufweisen, verhindern ein Aufbördeln der Kante des Elementes, insbesondere wenn das Element einer hydrolyseerenden Behandlung unterworfen wird.

Das Feuchtigkeitsmeßelement gemäß der Erfindung ist verhältnismäßig einfach herzustellen und zusammenzubauen. Darüber hinaus verbindet der Zusammenbau des Elementes mit dem Rahmen automatisch die Elektrodenschichten mit den Anschlüssen des Rahmens, wodurch die für den Zusammenbau des Elementes erforderliche Arbeit im Vergleich zu üblichen kapazitiven Elementen wesentlich verringert wird.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß das Element gemäß der Erfindung relativ frei von Befestigungs- und Formgebungsproblemen ist, die bei anderen Arten von kapazitiven Feuchtigkeitsmeßelementen früher aufgetreten sind. Das Element gemäß der Erfindung kann unter Umweltsbedingungen hergestellt werden, die wesentlich weniger scharf kontrolliert werden müssen.

Das Element ist annähernd ein reines kapazitives Element, was wesentlich Verlusteffekte vermindert, die ■ bei früheren Arten von kapazitiven Feuchtigkeitsmeßelementen immer vorhanden waren. Das Element gibt eine schnelle und genaue Anzeige der Feuchtigkeit im Bereich von o% bis 95$ relative Feuchtigkeit und wird auch durch extreme Feuchtigkeiten nicht beschädigt. Weitere Ziele und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der folgenden Schilderung von Ausführungsbeispielen. Die Zeichnungen zeigen in:

209 846/0-92*9

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Feuchtigkeitsmeßgerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt zur Wiedergabe der Befestigung des Feuchtigkeitsmeßelementes im Rahmen und äußeren Gehäuse ;

Fig. J eine auseinandergezogene Ansicht des Elementes und des Befestigungsrahmens;

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Feuchtigkeitsmeßelement nach den Figuren 1 bis J>\

Fig. 5 eine Seitenansicht des Elementes nach Fig. 4;

Fig. 6 eine auseinandergezogene Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes einschließlich des Elementes und des Befestigungsrahmens;

Fig.7 eine Draufsicht auf das Feuchtigkeitsmeßelement, das in der Befestigungsanordnung nach Fig. 6 verwendet wird;

Fig. 8 eine Seitenansicht des Elementes nach Fig. J;

Fig. 9 eine Endansicht des Elementes nach Fig. 7;

Fig. Io eine vergrößerte Schnittdarstellung einer abgeänderten Ausführungsform des Feuchtigkeitsmeßelementes, wobei die äußeren Elektrodenschichten hydrolysiert sind;

Fig. 11 eine weitere abgeänderte Ausführungsform des Feuchtxgkeitsmeßelementes;

- 4 -209846/09 29

Fig. 12 einen elektrischen Schaltkreis als Ausführungsbeispiel für das Einschalten des Elementes in ein Feuchtigkeitsanzeigesystem; und in

Fig. 13 eine schematische Darstellung zur Wiedergabe des Verfahrens zur Herstellung des Feuchtigkeitsmeßelementes.

In der nachfolgenden Beschreibung finden im Zusammenhang mit den Zeichnungen folgende Bezugszeichen Verwendung;

1	Feuchtigkeitsmeßgerät	24	elektrisch leitende
2	äußeres Isoliergehäuse		Teilchen
3	Feuchtigkeitsmeßelement	25	Befestigungslöcher
4	Rahmen	2Ö	Öse
5	Seitenglieder	27	Tropfen
O	Deckenwandung	28	Tropfen
7 .	eingeformtes Scharnier	29	freies Ende
8	Öffnungen	'J)O	Leiter
9	Stift	31	Ans chluß
Io	Loch	32	freies Ende
11	Endplatte	33	Leiter
12	Endplatte	34	Anschluß
13	Mittelplatite	35	Feuchtigkeitsmeßelement
14	Rohransatz	3o	Rahmen
15	Niete	37	dielektrischer feuchtig
Ij	Kopf		keitsempfindlicher Kern
17	federnde Beilagscheine	38	Elektrodenschicht
18	Hohlzapfen	39	Elektrodenschicht
19	Kopf	4o	Streifenpaar
2o	Blechkern	41	Tropfen
21	Elektrodenschicht	42	Tropfen
22	Elektrodenschicht	43	Befestigungslöcher

23 feuchtigkeitsdurchlässiges
Gefüge

209 846/0929

44 Endplatte 43 Endplatte

45 Mittelplatte

47 Niete

48 Hohzapfen

49 Kopf

50 vorspringender Fuß

51 Überzug'

52 vorspringender Fuß

5^ elektrisch leitender Überzug

54 oberer horizontaler Abschnitt

55 schmaler Überzugsteil

56 Teil

57 Isoliermaterial

58 Oberflächenschicht

59 dielektrische Schicht

60 Kondensator jl

62 Brückenschaltung

Ö5 "Verstärker

64 Meßgerät

o5 Gasplatte

υό Film

j7 Spalt

08 Schicht

09 Elektrodenschicht

70 Schicht

71 Löcher

72 Schicht.

Fig. 1 zeigt ein Feuchtigkeitsmeßgerät 1 mit einem äußeren Isoliergehäuse 2 und einem Feuchtigkeitsmeßelement 3j da-s an einem Rahmen 4 montiert und im Gehäuse 2 untergebracht ist. Das Gehäuse 2 enthält ein Paar von Seitengliedern 5.» die durch eine Deckenwandung j miteinander verbunden sind. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Grundstoffmaternal, beispielsweise linearem Polyäthylen, und die Verbindung zwischen der Deckenwandung 6 und den Seitengliedern 5 weist eine geringere Dicke auf, so daß eingeformte Scharniere entstehen, so daß die Seitenglieder 5 bezüglich der Deckenwandung j verschwenkt werden können.

Um das Element j der Atmosphäre auszusetzen sind di Seitenglieder 5 des Gehäuses 2 rnityfeiner Reihe von Öffnungen 8 versehen.

209846/092

Um den Rahmen 4 und das.Peuchtigkeitsmeßelement ρ innerhalb des Gehäuses 2 zu montieren, ist das untere Ende eines der Seitenglieder 5 mit einem Stift 9 versehen, welcher sich durch ausgefluchtete Öffnungen im Element 5 und Rahmen 4 sowie durch ein Loch Io im entgegengesetzten Seitenglied erstrecken kann. Im zusammengebauten Zustand wird das vorstehende Ende des Stiftes in der Wärme verformt, so daß eine abgeschlossene Einheit entsteht.

Wie man am deutlichsten aus den Figuren 2 und j? erkennt, setzt sich der Rahmen 4 aus einem Paar von Endplatten 11 und 12 und einer Mittelplatte Ij5 zusammen, die eine wesentlich größere Höhe als die Endplatten 11 und 12 aufweist. Das Feuchtigkeitsmeßelement J5 ist zu einer im -allgemeinen U-förmigen Gestalt gebogen und die Enden des Elementes lassen sich zwischen der Mittelplatte 1;5 und den entsprechenden Endplatten 11 und 12- befestigen.

Um die Platten des Rahmens 4 miteinander zu verbinden ist die Endplatte 11 mit einem Rohransatz 14 versehen, der sich durch ausgefluchtete Öffnungen in den Enden des Elementes 3, der Mittelplatte 15 und teilweise durch die andere Endplatte 12 erstreckt. Eine Niete 15 erstreckt sich durch das Innere des Rohransatzes 14 und dem zum Zusammenklemmen der Endplatten 11 und 12. Die Niete ist mit einem vergrößerten Kopf 16 versehen, der sich gegen eine federnde Beilagscheibe 17 legt, die auf der Außenoberfläche der Platte 12 angeordnet ist. Der Hohlzapfen 18 der Niete I5 erstreckt sich durch das Innere des Rohransatzes 14. Das andere Ende der Niete I5 wird dann zu ein^m vergrößerten Kopf I9 verformt, der sich gegen die Außenoberfläche der Endplatte 11 legt. Sowohl

— T —

209846/0929

die Platten 11, 12 und Y^ als auch der Rohransatz 14 bestehen aus Isoliermaterial. Die Niete 15 kann aus Metall bestehen/ da die Niete 15 vollständig vom Element 3> isoliert ist.

Das Element j? enthält einen Sichtkern 2o aus dielektrischem Material, der empfindlich'auf Feuchtigkeitsbedingungen anspricht. Die Elektrodenschichten 21 und 22 sind einstückig mit den entgegengesetzten Oberflächen des Kernes 2o verbunden. Jede Elektrodenschicht 21 und 22 enthält ein Ge'füge aus dielektrischem feuchtigkeitsdurchlässigem Material 23 und einer Vielzahl aus miteinander verbundenen, elektrisch leitenden Teilchen 24, die in dem Gefüge dispergiert sind. Sowohl der Kern 2o als auch die Elektrodenschichten 21 und 22 können wenigstens 1%, basierend auf ihrem Trockengewicht, an Feuchtigkeit absorbieren, wenn sie 95$ relativer Feuchtigkeit bei 21°C (7°°F) in einem Zeitraum von einer halben Stunde ausgesetzt werden, wobei das zu messende Trockengewicht geringer als 5$ relative Feuchtigkeit bei 21°C (70⁰F) beträgt.

Der Kern 2o und das Gefüge 2j5 der Elektrodenschichten sollten eine Dielektrizitätskonstante unter 10 und im allgemeinen von 1,1 bis 8 bei einer relativen Feuchtigkeit von 5$ und weniger aufweisen. Der Kern und das Gefüge sollten bei einer relativen Feuchtigkeit von 80$ eine Dielektrizitätskonstante von wenigstens dem 1,25-fachen der Dielektrizitätskonstante des -trockenen Materials aufweisen. Der Kern 2o und das Gefüge 2y der Elektrodenschichten sollten eine hohe elektrische Widerstandsfähigkeit oberhalb 2,5 χ Io Ά χ cm (1 χ lo" ohm χ ") besitzen.

-S-

209846/0929

In den meisten Fällen besteht das Gefüge 2,? der Elektrodenschichten 21 und 22 aus Materialien, welche die gleiche Feuchtigkeitsempfindlichkeit aufweisen wie ' das Material des Kernes 2o. In einigen Fällen kann das Gefüge 2^ feuchtigkeitsempfindlicher als der- Kern sein, jedoch kann seine Feuchtigkeit^ empfindlichkeit auch geringer als diejenige des Kernes sein. Insbesondere setzen sich der Kern 2o und das Gefüge 23 der Elektrodenschichten 21 und 22 aus Materialien, wie Zelluloseester, zusammen, in welchen die veresternden Säuren bis zu 2o Kohlens toffatome enthalten und vorzugsweise bis zu 6 Kohlenstoffatomen, wie Zelluloseacetat, Zelluloseacetatbutyrat, Zelluloseacetatpropionat, Zelluloseacetatvalerat und Zellulosesuccinat; Zellulose, Äthylzellulose; Methylzellulose; Gelantine; Polyvinylalkohol; Polyacrylamid; Polyacrylsäure; Keratin, Collagen; Stärke und Stärkederivate; regeneriertes Protein, wie Casein und Zein und synthetische Polymerisate, wie Polyvinylpyrrolidon und Polyamide (Nylon).

Darüber hinaus können der Kern 2o und das Gefüge 2/j der Elektrodenschichten aus quer verketteten Materialien bestehen, wie sie beispielsweise in der US-PS j? 4il 72j5 beschrieben sind. Insbesondere wird das quer verkettete Material durch Umsetzung einer Verbindung mit Glucosidketten, beispielsweise einem cellulosehaltigen Material, und einem Monomeren oder Teilpolymeren hergestellt, welches sich mit den Hydroxylgruppen der Glucoside umsetzen kann. Die glucosidhaltige Verbindung kann Zellulose oder ein Zelluloseester sein, in welchem die veresternden Säuren bis zu 2o Kohlenstoffatome und vorzugsweise bis zu ο Kohlenstoffatome enthalten. Besondere Beispiele sind Zellulosenitrat, Zellulosetriacetat, Zellulosebutyrat, Zellulose-propionat, Zellulosesuccinat, Zellulosephthalat od.dgl. Gemischte Zelluloseester, wie Zelluloseacetat-

_ α _
20 9 846/0929

Propionate Zelluloseäther, in denen der veräthernde Alkohol bis zu 8 Kohlenstoffatome enthält, wie Äthylzellulose, Methylzellulose, Hydrpxypropylraetnylzellulose und Hydroxybutylmethylzellulose können ebenfalls verwendet werden. Das stabilisierende Monomere oder Teilpolymerisat kann die Form von Harnstoffformaldehyd, Phenolformaldehyd, Melaminformaldehyd, Triazinformaldehyd, Hexanfthoxymethylmelamin, Glyoxal, 2-Hydroxyadipaldehyd und dgl. haben.

Die elektrisch leitenden Teilchen 24 können aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, beispielsweise Kohlenstoff, Zink, Aluminium od.dgl. Vorzugsweise bestehen die Teilchen noch jedoch aus graphitisiertem oder amorphen^Kohlenstoff.

Die Kohlenstoffteilchen sind hydrophob, was bedeutet, daß sie weniger als 4 Gew.# Wasser bei 25,6⁰C (78⁰F) mit relativen Feuchtigkeitsänderungen von 0% bis ^0% absorbieren und/oder adsorbieren, und vorzugsweise weniger als 1% Wasser unter diesen Umständen adsorbieren. Der Kohlenstoff kann in Mengen bis zu 75$ vorliegen und liegt im allgemeinen im Bereich von 25 bis jo Gew.;! der Elektrodenschichten 21 und 22.

Die Dicke des Kernes steht in Beziehung zur Dicke der Elektrodenschichten. Der Kern 2o hat im allgemeinen eine Dicke unter 0,o5 mm (o,oo2 ") und jede Elektrodenschicht sollte wenigstens 3;o der Gesamtdicke der zusammengesetzten Konstruktion aufweisen, wobei jede Elektrodenschicht vorzugsweise zwischen Io und Ko/o der Dicke der Zusammengesetzen Struktur besitzt, und zwar aohängig von der Empfindlichkeit, der ileaktionsaeit und dem im

- u> 2 0 3846/0929

Element erforderlichen Widerstand.

Der Kern 2o und die Elektrodenschichten 21 und 22 · werden über ihren ganzen Bereich miteinander verbunden. Zur Herstellung dieser Verbindung zwischen .den Gliedern gibt es eine Reihe von Verfahren. Beispielsweise können die Elektrodenschichten durch Überziehen des Kernes mit einer Lösungsmittellösung des die Teilchen 24 enthaltenden Gefüges aufgebracht werden, worauf man das Lösungsmittel verdampft.' Die Elektrodenschiehten können mit dem Kern auch unter Verwendung eines Hilfsklebemittels verbunden werden.

Wie man aus^Üen Figuren 4 und $ erkennt, hat die Elektrodenschicht 22 im wesentlichen den gleichen Flächenbereich wie der Kern 2o und erstreckt sich im wesentlichen sowohl in der Länge als auch Breite über den gesamten Kern. Jedoch hat die Elektrodenschicht 21 eine wesentlich geringere Länge und Breite als der Kern, so daß die Seitenkanten des Kernes sowie die Enden des Kernes über die entsprechenden Enden und Seitenkanten der Elektrodenschicht 21 vorstehen. Die Seitenkanten der Elektrodenschicht 21 weisen einen Abstand an den Seitenkanten des Kernes 2o auf, so daß es keine Möglichkeit für die elektrisch leitenden Teilchen einer der Elektrodenschiehten gibt, den Kern zu überbrücken und damit das Element kurz zu schließen.

Der gesamte Oberflächenbereich der Elektrodenschicht 21 soll der zu messenden Umgebung ausgesetzt werden und wird deshalb selbst nicht am Rahmen festgeklemmt.. Wie Figur 4 zeigt, sind Befestigungslöcher 25 im Kern 2o und in der Elektrodenschicht 22 vorgesehen und diese

- 11 -

2 09846/0929

Löcher weisen einen wesentlichen Abstand von den Enden der Elektrodenschicht 21 auf. Ein Ende der Elektrodenschicht 21 ist mit einem im allgemeinen halbkreisförmigen Lappen oder einer Öse 26 versehen und auf diese Öse wird, wie aus den Figuren 4 und 5 hervorgeht, ein Tropfen 27 aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Silberfarbe aufgebracht. In ähnlicher Weise wird ein vorstehender Tropfen 28 aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Silberfarbe od.dgl. auf die freiliegende Oberfläche der anderen Elektrodenschicht 22 aufgebracht. In der zusammengebauten, aus Fig. 2 ersichtlichen Stellung ist die Elektrodenschicht 21 selbst nicht zwischen die Platten 11, 12 und I3 des Rahmens festgeklemmt, sondern im wesentlichen vollständig der zu messenden Umgebung ausgesetzt. Insbesondere erfolgt das Festklemmen der Elektrodenschicht 21 gegen die öse 26 derart, daß die Enden der Elektrodenschicht 21 oberhalb der Klemmplatte 11 und 12 liegen, wie sich aus Fig. 2 entnehmen läßt.

Im zusammengebauten Zustand wird, wie Fig. 2 zeigt, der Tropfen 27 aus Silberfarbe gegen das freiliegende Ende 29 eines Leiters 30 gedrückt, der in der iH des? Mittelplatte IJ eingebettet ist. Das andere Ende des Leiters Jo erstreckt sich nach außen bezüglich der Platte 13 und liefert einen Anschluß Jl. In ähnlicher Weise wird der Tropfen 28 aus Silberfarbe auf der Elektrodenschicht 22 gegen das frei^Ende 32 eines Leiters j?j? angedrückt, welcher in der Endplatte 12 eingebettet ist, während das andere Ende des Leiters ;jj5 in einen freiliegenden Anschluß J54 ausläuft. Somit dient die Verklemmung durch die Niete I5 zum Pressen der Kontakte oder Tropfen 27 und 28 gegen die entsprechenden Leiter j)O und yp, wobei die Tropfen 27 und 28 Druckpunkte bilden, um einen zwangsläufigen elektrischen Kontakt sicherzu-

- 12 -

209846/0929

stellen. Während die obige Beschreibung zeigt, daß die Tropfen 27 und 28 auf der Elektrodenschicht vorgesehen sind, ist es selbstverständlich, daß die Konstruktion auch umgekehrt werden kann, wobei die Tropfen auf die freiliegenden Enden der Leiter 3o und 33 aufgebracht werden. Es ergibt sich dann das gleiche Resultat.

Um das Element 3 bezüglich des Rahmens zusammenzubauen, Wird die Mittelplatte 13 zwischen die freien Enden des Elementes 3 so eingesetzt, daß die Endplatten 11 und auf jeder Seite des Elementes 17 und der Rohransatz 14 durch die fluchtenden Löcher 25 im Element sowie durch ein Loch in der Mittelplatte 13 vorragt. Die Niete 15 wird dann durch den Rohransatz 14 eingesetzt und am Ende nach außen verformt, so daß der Kopf 19 entsteht und die einzelnen Elemente zusammenkTemmt. Wie bereits erwähnt, dient der durch die Niete 15 zusammen mit der federnden Beilagscheibe 17 erzeugte Klemmpunkt dazu, die elektrisch leitenden Tropfen 27 und 28 gegen die entsprechenden Leiter zu drücken, so daß ein zwangsläufiger guter elektrischer Kontakt vorhanden ist.

Die Figuren β bis 9 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes mit einem kapazitiven Feuchtigkeitsmeßelement 35, welches U-Form aufweist.und mit seinen Enden an einem Rahmen 36 befestigt ist, der dem Rahmen 4 ähnlich ist. Das Feuchtigkeitsmeßelement 35 und der Rahmen JS können in einem dem Gehäuse 2 entsprechenden äußeren Gehäuse untergebracht und befestigt werden.

Wie die Figuren 7 bis 9 zeigen, enthält das Element 35 einen dielektrischen, feuchtigkeitsempfindlichen Kern 37, entsprechend dem Kern 2o, und ein Paar von

- 13 209846/0929

Elektrodenschichten 38 und 39, die den Elektrodenschlch* ten 21 und 22 der ersten Ausführungsform ähnlich sind und auf entgegengesetzten Oberflächen des Kernes 37 befestigt werden. Die Elektrodenschichten 38 und 39 bestehen aus einem dielektrischen Gefüge aus Materialien ähnlich denjenigen, die im Zusammenhang mit dem Gefüge 23 beschrieben worden sind, und aus einer Vielzahl von elektrisch leitenden Teilchen, ähnlich den Teilchen 24, die innerhalb des Gefüges dispergiert werden können. Wie im Falle der ersten Ausführungsform weist die Elektrodenschicht 39 im wesentlichen die gleiche Flächenerstreckung wie der Kern 37 auf und erstreckt sich in gleicher Anordnung mit dem Kern, während die Elektrodenschicht 38 einen geringeren Flächenbereich als der Kern umfaßt und die Seitenkanten und Enden des Kernes 37 über die entsprechenden .Seitenkanten und Enden der Elektrodenschicht 38"vorstehen.

Da die Seitenkanten der Elektrodenschicht 38 kurz vor den Seitenkanten des Kernes 37 enden, ergibt sich für die Kanten des Elementes die Neigung aufzubördeln, wenn das Gefüge der Elektrodenschichten 38 und 39 hydrolysiert wird. Wenn ein Element mit aufgebogenen Kanten, in die U-Form umgeformt wird, dann kann ein Abbrechen oder Verschleißen längs der aufgebördelten Kanten auftreten. Um dieses Aufbördeln der Seitenkanten zu beseitigen, wird ein Paar von Streifen 4o auf den Seitenkantentell der Elektrodenschicht 39 aufgebracht. Das Streifenpaar 4o besteht vorzugsweise aus einem dielektrischen Material der gleichen Zusammensetzung und Dicke wie demjenigen des Kernes 37· Zusätzlich zur Beseitigung der Aufbördelung der Seitenkanten erlauben die Streifen 4o ein Herstellen des Elements bei höherer relativer Feuchtigkeit ohne Ablösen des Filmes von der tragenden Glasplatte.

- lh 209846/0929 .

Die Breite der Streifen 4o ist nicht kritisch und der Kantenbördelungszustand kann beseitigt werden, wenn die Streifen 4o die gleiche Breite aufweisen, aber auch etwas abweichende Breiten besitzen. Jedoch sollten die Streifen 4o eine etwas größere Breite haben als der Abstand zwischen der Seitenkante der Elektrodenschicht 38 und der entsprechenden Seitenkante des Kernes 37 beträgt.

Wie im Falle der ersten Ausführungsform wird ein Tropfen 41 aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise Silberfarbe auf ein Ende der Elektrodenschicht ~yb aufgebracht und das Anklemmen erfolgt auf diesen vorspringenden Tropfen während des Zusammenbaues. In ähnlicher Weise wird ein Tropfen 42 aus elektrisch leitendem Material auf die untere Fläche der Elektrodenschicht 39 zwischen dem Streifenpaar 4o aufgebracht. Zusätzlich werden der Kern 37 und die Elektrodenschicht 39 niit Befestigungslöchern 4p ähnlich den Löchern 25 der ersten Ausführungsform versehen.

Der Rahmen 36 ist am deutlichsten in Fig. 6 wiedergegeben und enthält ein Paar von Endplatten 44 und 45 ähnlich den Endplatten 11 und 12 der ersten Ausführungsform, und eine Mittelplatte 46. Die Enden des Elementes 35 werden zwischen die Mittelplatte 46 und die entsprechenden Endplatten 44 und 45 geklemmt. Um die Endplatten susainnenzuklemmen wird eine Niete 47 mit einem äußeren elektrisch isolierenden Überzug durch die Befestigungslöcher 43 in dein Element sowie durch die fluchtenden Öffnungen in den Endplatten 44 und 45 und in der Mittelplatti-, 4.) geschoben. Die Niete ist mit einem Hohlzapfen 4c vorsehen, welcher den Befestigungsstift 9 ^auf öe.n Gehäuse 2 aufnehmen kann, und weist ein Paar vergrößerter

- 15 -

209846/0929

BADORiGINAL

Köpfe 49 auf, die sich gegen die entsprechenden Endplatten 44 und 45 legen.

Wi-e aus Fig. 6 hervorgeht, ist die Mittelplatte 46 mit einem vorspringenden Fuß 50 versehen. Ein elektrisch leitender Überzug 51 aus Kupfer od.dgl. wird auf das untere Ende der Platte 46 und auf den Fuß 5o aufgebracht. Wird die Einheit zusammengebaut, dann legt sich der vorspringende Tropfen 42 auf der Elektrodenschicht j59 gegen den Überzug 51 und der Fuß 5o liefert einen Anschluß für einen elektrischen Kreis.

Die Endplatte 45 ist ebenfalls mit einem vorspringenden Fuß 52 versehen. Auf den unteren Teil der Platte 45 und auf den Fuß 52 ist ein elektrisch leitender Überzug aus Kupfer od.dgl. aufgebracht. Der Überzug enthält einen oberen horizontalen Abschnitt 54 zwischen der öffnung 45· Im zusammengebauten Zustand legt sich der vorspringende Tropfen 4l auf der Elektrodenschicht j>Ö gegen den Abschnitt 54 des Überzugs. Ein schmaler Überzugsteil 55 verbindet den Abschnitt 54 mit dem Teil 56 des Überzugs auf dem Fuß 52. Eine Schicht 57 aus Isoliermaterial deckt den elektrisch leitenden Überzugsteil 55 ab und setzt weitmöglichst nachte.il-ige Einflüsse auf die Kapazität des Elementes herab. Der durch die Überzugsteile 54 und 55 gebildete leitende Weg muß schmal oder dünn sein, da er sonst merklich zur Kapazität des Elementes beitragen würde. Diese Forderung ist jedoch nicht vorhanden hinsichtlich des leitenden Überzuges 51, da die Kapazität durch die kleinere Elektrodenschicht yd und nicht durch die Elektrodenschicht 39 bestimmt ist.

Die Vorrichtung nach Fig. 6 wird in gleicher Weise wie die erste Ausführungsform zusammengebaut. Im zusammen-

- 16 209846/0929

gebauten Zustand ruhen die vorspringenden Tropfen 41 und \2 fest auf den entsprechenden elektrischen Überzügen 51 und 55, so daß ein guter elektrischer Kontakt für das Element vorhanden ist.

Die Reaktionsgeschwindigkeit des Elementes kann gesteigert werden durch Hydrolysieren der Außenoberfläche des Gefüges der Elektrodenschichten 21 und 22 (vgl. Fig. lo), um hydrolysierte äußere Oberflächenschichten 58 vorzusehen. Ist das Gefüge aus Zelluloseester herge! stellt, dann wird die Außenoberfläche in regenerierte Zellulose hydrolysiert, um die Reaktionsgesehwindigkeit zu steigern. Das Zelluloseestergefüge wird dem Einfluß entweder eines alkalischen oder sauren Mediums ausgesetzt, um im wesentlichen sämtliche Säurereste in der Oberflächenschicht zu hydrolysieren und dadurch einen Film aus regenerierter Zellulose zu erhalten, welcher eine maximale Reaktionsgesehwindigkeit liefert. Die Hydrolysation erfolgt durch Eintauchen des Elementes in ein alkalisches oder saures Bad,und zwar für eine solche Zeit, daß die Säuregruppen auf der Oberfläche des Gefüges hydrolysiert werden.

Nach der Hydrolysation wird das Element vorteilhaft in Wasser gespült, um alkalische Reste zu entfernen und zu verdünnen.

Die Hydrolysationsbehandlung kann auch dazu Verwendung finden, um eine vergrößerte Reaktionsgesehwindigkeit auf Änderungen der relativen Feuchtigkeit für ein Gefüge aus anderen Materialien, beispielsweise einem Mischpolymerisat von Vinylinkarbonat und Vinylacetat zu erhalten.

- 17 -

209846/0929

Fig. 11 zeigt eine weitere abgeänderte Ausfütirungsform des Feuchtigkeitsmeßelementes j>5, bei dem eine zusätzliche Schicht aus dielektrischem Material 59 über die Elektrodenschicht 38 aufgebracht ist. Die dielektrische Schicht 59, die aus einem dielektrischen Material ähnlich demjenigen des Kerns 37 bestehen kann,, erstreckt sich in gleicher Richtung wie der Kern und umschließt vollständig die Elektrodensehieht 38. Der Tropfen 4-1 aus elektrisch leitendem Material erstreckt sieh durch die dielektrische Schicht 59, so daß mit der Elektrodensehieht 38 elektrischerKontakte hergestellt werden kann.

Die Elektrodensehieht 38 ist normalerweise die letzte Schicht, die im Herstellungsverfahren erzeugt wird, wie später noch näher erörtert werden soll. Diese Schicht hat eine etwas rauhe freiliegende Oberfläche und die Neigung abzubröckeln und manchmal zu brechen,wenn man sie in U-Form biegt. Um die Möglichkeit des Brechens während des Biegens herabzusetzen, kann die biegsamere oder duetilere Schicht 59 ^aus dielektrischem Material über die Elektrodensehieht 38 aufgebracht werden, wie Fig. 11 erkennen läßt.

Das Feuchtigkeitsmeßelement kann in einen Wechselstrom- oder Brückenkreis oder Aufladezeitkreis eingeschaltet werden, welcher die Kapazität mißt und diese in ein elektrisches Signal umwandelt, das dann auf einem Anzeigegerät abgelesen wird oder dazu benutzt werden kann, ein Feuchtigkeitskontrollsystem zu betätigen. Wie Fig. zeigt, ist das Feuchtigkeitsmeßelement 3 ^an den Kondensator 60 im Schenkel einer abgeänderten Kapazitätsbrücke 52 (Wien-Brücke) geschaltet. Der Ausgang dieser Brücke ist über einen Verstärker o3 an ein Meßgerät Sh gelegt,

- 18 -

209846/0329

w&ches so geeicht ist, daß es unmittelbar die relative Feuchtigkeit anzeigt.

Das Feuehtigkeitsmeßelement gemäß der Erfindung ist ein annähernd reines Kapazitätselement, welches normalerweise eine 0,1 bis 2,Q%-ige Kapazitätsänderung bei l$-iger Änderung in der relativen Feuchtigkeit bei Temperaturen im Bereich 4,4°C (4o°F) bis 95,3°C (2oo°F) . liefert. Die Kapazitätsänderung kann durch Änderung der Materialien geändert werden und es ist möglich, eine Vorrichtung mit geringerer Kapazitätsänderung als im oben wiedergegebenen Bereich zu bauen, wobei dann kleinere Änderungen verstärkt werden können, um das gewünschte elektrische Signal zu erhalten.

Die folgenden Beispiele zeigen Zusammensetzungen für das Feuehtigkeitsmeßelement gemäß der vorliegenden Erfindung:

Beispiel Nr. 1

Ein Element, wie es in den Figuren 7 bis 9 wiedergegeben ist, wird hergestellt unter Verwendung einer Elektrodenschi ehtlösung folgender Zusammensetzung:

7 }^lj> g Zelluloseaeetatbutyrat (17$ kombiniertes Butyryl) 7*5 g Graphon (graphitisierter Kohlenstoff) 13o,o g Äthylendiehlorid

Es wurde dann eine Lösungsmittellösung des dielektrischen Materials hergestellt durch Mischen der folgenden Materialien:

- 19 -

209846/0929

5,5 g Zolluloseacetatbutyrat (26% kombiniertes Butyryl) 95,ο g Äthylendichlorid.

Ein Streifen aus Polyesterharzband mit einem lösungsmittelbeständigen klebenden Überzug und einer Breite von annähernd 12,5 mm (1/2") wurde auf qine Glasplatte o5 (vgl. Pig. 13) aufgesetzt. Dann wurde ein Film 66 der dielektrischen Lösung auf die Platte mit einem einstellbaren Abstreifstab aufgegossen. Nach dem Gießen wurde das Band sofort von der Glasplatte entfernt, um einen Spalt oder Zwischenraum 67 in der Schicht 66 der dielektrischen Lösung herzustellen. Nach dem Abdampfen des Lösungsmittels von der Schicht 66/ welche schließlich die Streifen 4o des Elementes ^5 bildete, wurde eine Schicht 68 der Elektrodenlösung über die Schicht 66 und über den Spalt 6j in der Schicht gegossen, in der der Streifen vorhanden war. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels von der Schicht 68, welche die Elektrodenschicht ^9 im Endprodukt bildete, wurde die Oberfläche der Schicht 68 mit körnigem Polierpapier behandelt, bis die Oberfläche glatt war.

Dann wurde eine Schicht 09 der dielektrischen Lösung über die erste Elektrodenschicht 08 mittels eines einstellbaren Abstreifstabes gegossen, um den Kern ~j>J des Elementes herzustellen. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels wurde ein zweiter Streifen aus einem Polyesterband 70 mit Silikonklebmittelunterfläche und in Abständen eingestanzten rechteckigen Löchern Jl über die dielektrische Kernschicht 69 gelegt. Wie man aus Pig.I^ erkennt, erg-eben die Löcher 71 Im Band 7ο den Bereich der zweiten gegossenen Elektrodenschicht ^8im endgültigen

- 2o -

209846/0929

«.ι

Element. Der Streifen wird so aufgesetzt, daß die Löcher 71 über dem Spalt Sj im anfänglichen dielektrischen Film 66 zentriert sind. Eine 'Schicht 72 aus Elektrodenlösung wurde dann über den Streifen 7 ο gegossen und der Teil der Elektrodenlösung, der in die Löchßr im Streifen floß, bildete die. zweite Elektrodensehicht 38 nach dem Verdampfen des Lösungsmittels. Der Streifen wurde vorzugsweise nach vollständiger Verdampfung des Lösungsmittels der zweiten Elektrodensehicht entfernt.

Nach dem Gießen wurden Proben aus dem trocknen Film längs der gestrichelten Linien nach Fig. 1J> ausgeschnitten, um vier Filmanordnungen oder Elemente zu bilden. Die Elemente wurden von der Glasplatte gelöst, indem man kaltes Wasser über die Filme laufen ließ.

Die Reaktionsgeschwindigkeit auf Änderungen in der relativen Feuchtigkeit wurde 3?» gesteigerte äydrolysierenjäo? Außenoberfläche der Elektrodenschichten durch Eintauchen der Elemente in eine wässrige Lösung mit hO% Natriumhydroxyd bei 110⁰C (230⁰F) für eine Minute „. Nach der Hydrolysierungsbehandlung wurden die Elemente in Wasser gespült und getrocknet. Die Silberfarbenkontakte oder -tropfen 41 und 42 wurden auf die Elektrodenschichten jedes Elementes aufgebracht. Dann wurde das Element zwischen die Befestigungsplatten des Isolierrahrnens in der vorher beschriebenen Weise eingebaut.

Beispiel Nr. 2

Ein Feuchtigkeitsmeßelement wurde nach Beispiel 1 hergestellt mit der Ausnahme, daß die dielektrischen Streifen 4o entfielen und die Elektrodenschichtlösung

- 21 -

2098Α6/092Θ

und die Kernlösung die folgende Zusammensetzung hatten:

Elektrodenschichtlösung:

3i35 g deoxidierten Vulcan XC-72 Kohlenstoff

Ιο,οο g Zelluloseacetatbutyrat (17^ kombiniertes Butyryl)

15o,oo g Äthylendichlorid

Dielektrische Kernlösung:

5,oo g Zelluloseaeetatbutyrat (2o$ kombiniertes Butyryl) 95,o g Äthylendichlorid

Beispiel Nr. 3

Ein Feuchtigkeitsmeßelement wurde nach dem Verfahren nach Beispiel 2 hergestellt unter Verwendung der folgenden Lösungen:

Elektrodens chichtlösung:

7,5o g Zelluloseacetatbutyrat (17$ kombiniertes Butyryl) 6,00 g Graphonkohlenstoff
οο g Äthylendichlorid.

Querverkettbare dielektrische Kernlösung:

j,2o g Zelluloseacetatbutyrat (26$ kombiniertes Butyryl) 1*55 S Harnstofformaldehydmonomeres ο,55 g n-Butylalkohol

- 22 -

209846/0929

ο,	53	g	Äthylalkohol .
ο,	15	g	p-Toluolsulfonsäure
ι,	OO	g	Triäthylenamin
89	,32	g	Äthylendichlorid.

Nach Verdampfung des., Lösungsmittels vom Film wurde die Kernschicht durch Erwärmen des Films auf der Glasplatte auf eine Temperatur von 176,7⁰C (350⁰F) für 15 Minuten quer verbunden.

209846/0929

Claims

Patentansprüche

Kapazitives Feuchtigkeitsmeßgerät, gekennzeichnet, durch einen filmartigen Kern aus dielektrischem feuchtigkeitsempfindlichen Material, auf dem auf jeder Oberfläche eine für die Diffusion von Wasserdampf poröse Elektrodenschicht gebunden ist, die jeweils aus einem dielektrischen Gefüge besteht, in welchem eine Vielzahl miteinander verbundener elektrisch leitender Teilchen verteilt ist und deren erste eine Fläche aufweist, die kleiner als die Fläche des Kernes ist, wobei gegenüberliegende Teile des Umfanges des Kernes über den Umfang der ersten Elektrodenschicht vorstehen, das Element im allgemeinen U-Form aufweist, an dessen freien Enden entgegengesetzte Teile des Kernes angeordnet sind, und an den entgegengesetzten Teilen Befestigungseinrichtungen zur Befestigung des Elementes in einem isolierten Rahmen vorgesehen sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein langgestreckter Streifen ist und die entgegengesetzten Teile an den Enden des Kernes sitzen.

j. Gerät nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Seitenkanten des Kernes seitlich über die entsprechenden S .itenkanten der ersten Elk?ktx'oaenschicht vorstehen.

209846/0929

4. . Gerät nach Anspruch j, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrodenschicht sich im wesentlichen in der Flache mit dem Kern erstreckt·.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch g e k en"η zeichnet, daß das dielektrische Gefüge jeder Elektrodenschicht aus einem hydrolysierten Material besteht und die Außenoberfläche des Gefüges zur Steigerung der rteaktionsgeschwindigkeit auf Änderungen der rela-tiven Feuchtigkeit hydrolysiert ist.

6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

ζ eichnet, daß im wesentlichen die gesamte erste Elektrodenschicht frei liegt und frei von ,einer Befestigung an den Halteeinrichtungen ist.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungseinrichtungen ein Paar elektrischer an einen elektrischen Kreis anschließbarer Leiter, Klemmeinrichtungen zum Festklemmen jeder Elektrodenschicht an einen.der Leiter und vorspringende Druckeinrichtungen aufweist, die zwischen jeder Elektrodenschicht und dem entsprechenden Leiter angeordnet sind, um dazwischen einen positiven elektrischen Kontakt herzustellen.

S. Gerät nach Anspruch 7 j dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t, daß die vorspringenden Druckeinrichtungen einen Tropfen aus elektrisch leitendem Material enthalten, der mit jeder Elektrodenschicht verbunden ist und sich nach außen über die Oberfläche der Elektrodenschicht erstreckt,

- 25 -

209846/0921

9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern wenigstens 1#, basierend auf seinem Trockengewicht, von Feuchtigkeit absorbieren kann, wenn er 95^-ige relative Feuchtigkeit bei 23°C (To⁰F) für ~jo Minuten ausgesetzt wird.

Io. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Kern als auch das Gefüge eine Dielektrizitätskonstante im Bereich von 1,1 bis Io und einen elektrischen Widerstand von ca. 2,5 χ 10 St χ, cm (1 χ 10^ Ohm χ ") aufweisen.

11. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kern und Gefüge aus Zelluloseester bestehen.

12. Gerät nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Streifen aus dielektrischem Material auf jeder Seitenkante der zweiten Elektradenschicht in entsprechendem Abstand.

13· Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsvorrichtung aus einem Rahmen mit einem Mittelglied und einem Paar vdn Endgliedern besteht, wobei ein Ende des Elementes zwischen dem Mittelglied und einem der Endglieder eingeklemmt ist und das andere Ende des Elementes zwischen dem anderen Endglied und dem Mittelglied eingeklemmt und ferner gek ennz e i chne t durch ein Paar elektrischer Leiter zum Anschluß an einen elektrischen Kreis, wobei einer der Leiter durch eines der Endglieder und der andere der Leiter durch das Mittelglied getragen sind und weiter g e k e η n-

- 26 -

203846/0929

ζ eiehnet durch ein Klemmglied zum Anklemmen jeder Elektrodensehicht an einen der Leiter.

]A. Gerät nach Anspruch 1$, gekennzeichnet durch ein äußeres Isoliergehäuse rund um das Element und in Verbindung mit dem Rahmen, wobei das Gehäuse Öffnungen aufweist, über die das Element der Atmosphäre ausgesetzt .".

Io. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter in dem entsprechenden Rahmenglied eingebettet ist, wobei ein Ende jedes Leiters frei liegt und an die entsprechende Elektrodenschicht . angeklemmt ist, während das andere Ende des Leiters mit einem elektx"isehen Anschluß in Verbindung steht.

Ib. Gei-ät nach Anspruch 1~5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung aus einer Befestigungsvorrichtung bestehtj die innerhalb fluchtender Öffnungen im Mittelglied, den Endgliedern und den Enden des Elements angeordnet ist.

17. Gerät nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsvorrichtung hohl ist, die Anordnung außerdem ein äußeres perforiertes Gehäuse rund um das Element und in Verbindung mit den Endgliedern des Rahiraens aufweist und Verbindungsglieder sich durch das hohle Innere der Befestigungsvorrichtung zur Veroindung des Gehäuses mit dem Rahmen erstrecken.

18. Gerät nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß die Breite jedes Streifens größer

- 27 209846/0929

als die Breite des Abstandes zwischen der Seitenkante des Kernes und der entsprechenden Seitenkante der ersten Elektrodenschicht ist und die Streifen ein Aufbördeln der Kante des Elementes verhindern.

- 2ü -

209846/0929