DE2920808A1

DE2920808A1 - Messfuehler und schaltung zur feuchtigkeitsmessung

Info

Publication number: DE2920808A1
Application number: DE19792920808
Authority: DE
Inventors: Kyoto Ayabe; Katsumasa Bando; Masato Kawamura; Shinichi Kinomoto; Susumu Kobayashi; Yasuhiro Maebashi; Yuji Takaoka
Original assignee: SHINYEI KAISHA KOBE
Current assignee: SHINYEI KAISHA KOBE
Priority date: 1978-05-25
Filing date: 1979-05-22
Publication date: 1979-11-29
Also published as: GB2025622A; GB2025622B; DE2920808C2; CH641566A5

Description

SHINYEI KAISHA

77-1, Kyomachi, Ikutaku, 21. Mai 1979

Kobe, Hyogo Prefecture H 1515 D/Kr

Japan

Beschreibung

·

Meßfühler und Schaltung zur Feuchtigkeitsmessung

Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitsmeßfühler, dessen elektrischer Widerstand nach Maßgabe der Feuchtigkeitsänderung in der Atmosphäre schwankt.

Es gibt mehrere Arten von Feuchtigkextsmeßfühlern, deren elektrischer Widerstand nach Maßgabe der Feuchtigkeitsänderung der Umgebung schwankt. Diese Meßfühler und ihre Nachteile sind nachfolgend abgehandelt.

(1) Feuchtefühler, die mit einem Elektrolytsalz, wie Lithiumchlorid imprägniert sind, besitzen nur einen engen Meßbereich. Darüber hinaus ist die Lebensdauer dieser Meßfühler in Umgebung hoher Feuchtigkeit wegen der Verdünnung

des Elektrolytsalzes außerordentlich kurz. 35

(2) Meßfühler, die unter Verwendung von feuchtigkeitsabsorbierenden Polymeren arbeiten, in die ein elektrisch leitendes Pulver eingemischt ist, sind zur Bestimmung ge-

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ringer Feuchtigkeiten ungeeignet. Meßfühler dieser Art besitzen darüber hinaus weitere Nachteile bezüglich ihrer Herstellung und Lebensdauer.

(3) Meßfühler, deren Oberfläche aus einem Metall, z.B. Aluminiumoxid, besteht, besitzen eine Hysteresis, wobei eine Empfindlichkeitsabnahme eintritt, wenn die relative Feuchtigkeit nicht weniger als 80 Prozent beträgt. Darüber hinaus wird ihre Beschaffenheit in hochfeuchter Atmosphäre sehr stark beeinträchtigt.

(4) Bei Meßfühlern, die unter Verwendung eines Metalloxids arbeiten, tritt mit der Zeit eine Widerstandszunahme und eine Veränderung ihrer Beschaffenheit bei Temperaturveränderungen auf. Die Herstellung solcher Meßfühler ist darüber hinaus sehr schwierig.

(5) Meßfühler, die hydrophile hochmolekulare Stoffe enthalten (wobei unter dieser Bezeichnung z.B. Polyvvinylalkohol, Polyvinylacetetat oder Polyvinylpyrrolidon verstanden werden, die in Wasser löslich sind und deren charakteristische Eigenschaften sich rasch ändern), die mit beschichteter Oberfläche und hauptsächlich zusammen mit Halbleitern Verwendung finden, sind schwierig mit gleichmäßigen Eigenschaften herzustellen. Sie sind darüber hinaus nicht stabil und besitzen nur eine kurze Lebensdauer.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Feuchtigkeitsmeßfühler mit einer oder mehreren der folgenden Eigenschaften zur Verfügung zu stellen:

^OJ 1. Die Feuchtigkeitsmessung soll über einen breiten Bereich von niedriger bis zu hoher Feuchtigkeit möglich sein.

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2. Es soll eine erhöhte Änderung des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit der Feuchtigkeitsänderung gewährleistet sein.

3. Die charakteristischen Eigenschaften sollen sich, selbst in einer Atmosphäre/ die organische Gase enthält, nur wenig ändern.

10

4. Die charakteristischen Eigenschaften sollen sich über lange Zeiträume in einer Atmosphäre hoher Luftfeuchtigkeit nur wenig ändern.

5. über den gesamten Feuchtigkeitsmeßbereich soll der Hysteresiseffekt gering sein.

6. Es soll die Herstellung der Meßfühler mit gleichbleibenden Eigenschaften möglich sein.

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7. Es soll die Verwendung von Grundplatten unterschiedlichster Art und Gestalt möglich sein.

8. Die Meßfühler sollen eine große Lebensdauer besitzen. 25

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Meßschaltung zur Verfügung zu stellen, mit der ein Feuchtigkeitsmeßfühler bzw. ein feuchtigkeitsempfindliches Material mit den vorgenannten charakteristischen Eigenschäften über längere Zeiträume ohne Veränderung dieser Eigenschaften verwendet werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Feuchtigkeitsmeßfühler, der als feuchtigkeitsempfindliches Material einen hochmolekularen Stoff mit mindestens einem kationaktiven Monomeren als Baustein enthält.

Bei diesen kationaktiven Monomeren handelt es sich um

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radikalisch polymerisierbar Monomere, vorzugsweise um äthylenisch ungesättigte Monomere, die jeweils mindestens eine kationaktive Gruppe, z.B. eine quartäre Ammoniumgruppe, enthalten. Bevorzugt sind Acrylmonomere, insbesondere Methacrylmonomere_/mit quartären Ammoniumgruppen, wobei das Gegenion ein Halogenanion, vorzugsweise ein Chloridion ist. Spezielle Beispiele sind 2-Hydroxy-3-methacryloxypropyl-trimethylammoniumchlorid (HMTMA) und Methacryläthyltrimethyl-ammoniumchlorid (MTA).

Erfindungsgemäß kann es sich hierbei um ein Homopolymerisat aus dem kationaktiven Monomeren oder um Copolymerisate mit anderen Comonomeren handeln.

Beispiele für geeignete Comonomere sind äthylenisch ungesättigte Comonomere, z. B. Vinylmonomere oder Acrylmonomere, wie Acrylsäure-oder Methacrylsäureester. 20

Beispiele für geeignete Vinylmonomere sind Vinylalkohol ((CH₂= CH-OH), Propylen (CH₂=CH-CH₃), Vinylacetat (CH₂= CH-OCOCH₃) und Chlorstyrol (CH₂=CH-C₆H₅Cl).

Beispiele für geeignete Acrylate und Methacrylate sind Diäthylhexylmethacrylat, Isobutylmethacrylat und Äthylenglykoldimethacrylat.

Als Comonomere kommen jedoch auch höhermolekulare Verbindungen in Frage, die eine polymerisierbare Doppelbindung enthalten. Ein Beispiel hierfür ist Polypropylenglykolmonomethacrylat.

Schließlich sind als Comonomere auch sogenannte anorgani-^OJ sehe Monomere geeignet, die Silicium, Bor oder Phosphor im Molekül enthalten. Hieraus entstehend dann Silicone, Borpolymere oder Phosphorsäurepolymere. Diese sogenannten anorganischen Comonomeren können auch von vornherein in

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mehr oder weniger hochmolekularem Zustand eingesetzt werden.

Die Herstellung der Homopolymerisate aus dem kationaktiven Monomeren erfolgt z.B. so, daß man 100 Teile des Monomeren in Gegenwart von 0,5 bis 4 Teilen, vorzugsweise 1,5 bis 2,5 Teilen, eines Polymerisationsinitiators in einem Lösungsmittel der Polymerisation unterwirft.

Bei der Herstellung der Copolymerisate werden 20 bis 80 Teile, vorzugsweise 50 bis 70 Teile des kationaktiven Monomeren mit 80 bis 20 Teilen, vorzugsweise 50 bis 30 Teilen des oder der Comonomeren der Polymerisation unterworfen.

Es sind die üblichen Initiatoren geeignet, z.B. Perverbindungen, wie Benzoylperoxid.
20

Geeignete Lösungsmittel sind dem Fachmann bekannt. Es kann z.B. Methanol verwendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Frontansicht eines Feuchtigkeitsmeßfühlers der Erfindung,

Fig. 2 die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands zwischen den Meßelektroden von der relativen Feuchtigkeit in Form charakteristischer Kurven,

Fig. 3 die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden in Form einer charakteristischen Kurve nach einer Zeitdauer von 500 Stunden, während der in einem Zyklustest der erfindungsgemäße Feuchtigkeitsmeßfühler 30 Minuten bei einer

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relativen Feuchtigkeit von 50 Prozent und dann 30 Minuten bei einer relativen Feuchtigkeit von 90 Prozent gehalten wurde; die anfängliche charakteristische Kurve ist ebenfalls angegeben,

Fig. 4 ein Blockdiagrairun einer Feuchtigkeitsmeßschaltung, in der ein Feuchtigkeitsmeßfühler der Erfindung für lange Zeit ohne Veränderung seiner charakteristischen Eigenschaften verwendet werden kann,

Fig. 5 eine Schaltung, in der das Blockdiagramm von Fig.

konkret ausgeführt ist,
15

Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erklärung der Funktion des Widerstandes der feuchtigkeitsempfindlichen Schaltung,

Fig. 7 eine weitere Feuchtigkeitsmeßschaltung, in der das feuchtigkeitsempfindliche Material der Erfindung lange Zeit ohne Veränderung seiner charakteristischen Eigenschaften verwendet werden kann,

^Z3 Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erklärung dafür, warum in den in den Figuren 4, 5 und 7 gezeigten Feuchtigkeitsmeßschaltungen der Erfindung eine Wechselspannung an den Feuchtigkeitsmeßfühler mittels eines Wechselstromgenerators so angelegt wird, daß die

Feuchtigkeit als Ausgangssignal einer Wechselspannung abgenommen werden kann,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Filters zur Entfernung fester und flüssiger Bestandteile aus einer-. Atmosphäre,

Fig. 10 einen vergrößerten Teil-Querschnitt durch das Filter von Fig. 9,

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Fig. 11 in einer vergleichenden Darstellung die charakteristischen Eigenschaften eines Feuchtigkeitsmeßfühlers in zwei Fällen, nämlich einmal unter

Verwendung des in Fig. 9 gezeigten Filters und einmal ohne, jeweils bei einer Veränderung der relativen Feuchtigkeit zwischen 40 und 60 Prozent, und

Fig. 12 in einer vergleichenden Darstellung die charakteristischen Eigenschaften eines Feuchtigkeitsmeßfühlers in zwei Fällen, nämlich einmal unter Verwendung des in Fig. 9 gezeigten Filters und einmal ohne Filter, jeweils bei einer Veränderung

der relativen Feuchtigkeit von 60 bis 80 Prozent.

In Fig. 1 besteht ein Feuchtigkeitsmeßfühler 1 aus einer Grundplatte 7 aus Aluminium oder dergleichen, einem Paar kammförmiger Elektroden 2, 3 mit vorgegebenen Abständen, die sich auf der Oberfläche der Grundplatte 7 befinden, einemfeuchtigkeitsempfindlichen Material 4, das sich auf der Oberfläche der Elektroden und der Oberfläche der Grundplatte 7 in Form eines Films befindet, einem mit der Elektrode 2 verbundenen Anschluß 5 und einem mit der Elektrode 3 verbundenen Anschluß 6.

Das feuchtigkeitsempfindliche Material 4 ist vorstehend

und in den speziellen Beispielen beschrieben. 30

Zur Herstellung des Feuchtigkeitsmeßfühlers wird auf die Oberfläche der Elektroden 2, 3 und die Oberfläche der Grundplatte 7 zwischen den Elektroden 2, 3 eine Lösung des feuchtigkeitsempfindlichen Materials 4 mittels Aufsprühen, Aufbürsten, Tauchen oder dergleichen unter Erzeugung eines Films aufgebracht.

Unmittelbar hierauf erfolgt Trocknen und Erhitzen auf

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Temperaturen von 100 bis 180⁰C, wobei das feuchtigkeitsempfindliche Material 4 auf der Oberfläche der Grundplatte 7 zwischen den Elektroden 2, 3 so fixiert wird, daß die Elektroden 2, 3 miteinander verbunden werden.

In Fig. 2 ist für den Feuchtigkeitsmeßfühler von Fig. 1 die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden 2, 3 von der relativen Luftfeuchte dargestellt.

Die Kurve F₁ in Fig. 2 zeigt die Veränderung des Widerstands des Feuchtemeßfühlers 1 bei einer Zunahme der relativen Feuchte von 20 auf 100 Prozent, und die Kurve F₂ zeigt die Veränderung des Widerstands bei einer Abnahme der relativen Feuchte von 100 auf 20 Prozent. Im dargestellten Fall beträgt der Unterschied zwischen den Kurven F₁ und F₂, d.h. die Hysteresis, nur etwa 1 bis 2 Prozent von F^, d.h.

die Hysterese ist sehr gering.

Fig. 2 zeigt deutlich, daß der elektrische Widerstand im Bereich der relativen Feuchte von 20 bis 30 Prozent nicht über 10 i&liegt. Die Funktion verläuft sehr steil, und es besteht eine ausgezeichnete Linearität zwischen dem logerithmischen Wert des Widerstands und der relativen Feuchte.

Fig. 3 enthält Versuchsdaten, die sich auf die Verläßlichkeit und Lebensdauer des Feuchtemeßfühlers der Erfindung beziehen. Kurve F zeigt die Abhängigkeit des Widerstands von der relativen Feuchte vor der Durchführung des Tests. Die Kurve G zeigt diese Abhängigkeit nach einer Versuchsdauer von 500 Stunden, während der ein Zyklustest, jeweils 30 Minuten bei 50 Prozent relativer Feuchte und anschliessend 30 Minuten bei 90 Prozent relativer Feuchte, durchgeführt wurde. Je geringer der Unterschied zwischen den Kurven F und G, desto besser die Verläßlichkeit bzw. Reproduzierbarkeit und Lebensdauer. In Fig. 3 beträgt der Unter-

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schied nur etwa 1 bis 2 Prozent, bezogen auf F.

Nachfolgend ist eine Behandlungsmethode beschrieben, um dem Feuchtefühler besonders gute Eigenschaften bezüglich Lebensdauer und Aussehen zu verleihen. Hierzu wird die Oberfläche des feuchtigkeitsempfindlichen Materials 4, das auf der Grundplatte 7 fixiert ist, mit einem Dichromat, wie Ammoniumdichromat, oder der Säure hiervon, behandelt, worauf eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Darüber hinaus wird eine Behandlung mit UV-Strahlung, Elektronenstrahlung oder einer anderen Bestrahlung durchgeführt. Man kann auch eine Behandlung zur Acetalisierung nach der Behandlung mit dem Dichromat bzw. der Dichromsäure durchführen. So läßt sich z.B. eine intermolekulare Vernetzung erreichen, wenn man 50 bis 30 Gewichtsteile Acetanhydrid, bezogen auf 70 bis 95 Gewichtsteile kationaktives Monomeres.in einem Lösungsmittel bei 50 bis 70⁰G für eine Dauer von 0,2 bis 5 Stunden zur Reaktion bringt.

Der Feuchtigkeitsmeßfühler 1, der der Vernetzung unterworfen worden ist, ist gekennzeichnet durch einen etwa 10-fachen Anstieg des elektrischen Widerstands über den gesamten Bereich der relativen Feuchte und eine besondere Gleichmäßigkeit.

Das feuchtigkeitsempfindliche Material 4 kann erfindungsgemäß in einer Feuchtigkeitsmeßschaltung verwendet werden.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm einer solchen Feuchtigkeitsmeßschaltung, mit einem Schwingkreis bzw. Wechselstromgenerator 10 zur Erzeugung eines Wechselstroms, einem feuchtigkeitsempfindlichen Schaltkreis 11 mit einem Elektrodenpaar 2, 3, die mittels des feuchtigkeitsempfindlichen Materials 4 verbunden sind und wobei einer Elektrode das Ausgangssignal des Schwingkreises 10 als Eingangssignal zugeführt wird, einem Verstärkerkreis zur Verstär-

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kung des anderen Ausgangssignals des Elektrodenpaars 2, 3, einem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 13, der das Wechselstrom-Ausgangssinal des Verstärkerkreises 12 in ein Gleichstrctnsignal umwandelt, einer Anzeigeeinrichtung 17 zur Anzeige des Ausgangssignals des Wandlers 13, einer Bezugseingangsschaltung 15, die ein Bezugssignal erzeugt, einer Vergleichsschaltung 14, die das Ausgangssignal des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers 13 und das Bezugseingangssignal der Bezugseingangsschaltung 15 vergleicht, und einer Steuerschaltung 16, der das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 14 als Eingangssignal zugeführt wird und die zur Steuerung des Überwachungsobjekts dient.

In Fig. 5 ist das Blockdiagramm von Fig. 4 als Feuchtigkeitsmeßschaltung im einzelnen ausgeführt.

Der Schwingkreis 10 enthält einen Verstärker 28, dessen positive Eingangsklemme geerdet und dessen negative Eingangsklemme mit einem Ende eines RC-Blocks verbunden ist, der aus drei Kondensatoren 20, 21, 22, die in Serie geschaltet sind, und Widerständen 23, 24 besteht, die mit zwei Anschlüssen der Kondensatoren 20, 21, 22 verbunden sind. Die Ausgangsklemmen des Verstärkers 28 sind mit der anderen Klemme des RC-Blocks bzw. einer Ausgangsklemme 29 verbunden. Die Ausgangsklemme des Verstärkers 28 ist auch mit ihrer negativen Eingangsklemme über parallel geschaltete Dioden 26, 27 verbunden, die jeweils i_n Hin- und Rückrichtung bzw. Durchlaß- und Sperreinrichtung verbunden sind und die Amplitude der Schwingung_steuern.

Der Widerstand 25, der in Parallelschaltung mit den parallel geschalteten Dioden 26, 27 verbunden ist, steuert die Schwingungswellenform, so daß man in Wechselwirkung mit dieser Parallelschaltung eine Sinus- oder eine Rechteckwelle bzw. -schwingung erhält.

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Eine feuchtigkeitsempfindliche Schaltung 11 enthält das feuchtigkeitsempfindliche Element 1 mit dem feuchtigkeitsempfindlichen Material 4 der Erfindung, wobei ein Widerstand 3 in Parallelschaltung mit dem Element 1 verbunden ist. Eine Elektrode 2 ist mit der Ausgangsklemme 29 des Schwingkreises 10 über einen Widerstand 30 verbunden, und die andere Elektrode 3 des feuchtigkeitsempfindlichen Elements 1 ist mit einem Kondensator 32, der die Gleichstromkomponente unterbricht bzw. einer Ausgangsklemme 33 verbunden.

Der Verstärkerkreis 12 enthält einen Verstärker 34, dessen positive Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme 33 der feuchtigkeitsempfindlichen Schaltung 11, und dessen Ausgangsklemme mit der negativen Eingangsklemme des Verstärkers 34 über eine Diode 35 des Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers 13 verbunden ist, der nachfolgend beschrieben ist.

Der Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 13 enthält die Diode 35, die zwischen der Ausgangsklemme des Verstärkers 34 und der negativen Eingangsklemme angeschlossen ist. Die Klemme der Diode 35 auf der Seite der negativen Eingangsklemme des Verstärkers 34 ist mit einem Ende eines Widerstands 37 und eines Kondensators 38 verbunden, die parallel geschaltet sind. Der Widerstand 37 und der Kondensator 38 bewirken eine Glättung des Wechselstrom-Aus-

gangssignals, das einer Halbwellen-Gleichrichtung unterworfen wird und führen das Signal einer Ausgangsklemme 39 zu.

Die Vergleichsschaltung 14 enthält einen Verstärker 41, dessen negative Eingangsklemme mit der Ausgangsklemme 39 des Verstärkerkreises 12, und dessen positive Eingangsklemme mit einer Ausgangsklemme 49 der nachfolgend beschriebenen Bezugseingangsschaltung 15 verbunden ist.

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Der Verstärker 41 vergleicht das Ausgangssignal des Wandlers 13 und das Ausgangssignal der nachfolgend beschriebenen Bezugseingangsschaltung 15 und liefert ein Ausgangssignal für eine Klemme 43 über einen Widerstand 42.

Die Bezugseingangsschaltung 15 enthält eine Serienschal-'" tung mit einem Widerstand 44, dessen eines Ende mit einer Gleichstromquelle verbunden ist, einem halbvariablen Widerstand 45 zur Korrektur, einem Widerstand 46 und einem variablen Widerstand 47 zur Erzeugung eines Bezugswertes. Die Verbindung zwischen dem halbvariablen Widerstand 45 und dem Widerstand 46 der Serienschaltung ist mit einer positiven Eingangskleitune des Verstärkers 41 der Vergleichsschaltung 14 über eine Ausgangsklemme 49 verbunden. Mit der Verbindung des halbvariablen Widerstands 45 und des Widerstands 46 ist ein Kondensator

zur Rauschunterdrückung verbunden.

Die Steuerschaltung 16 ist mit der Ausgangsklemme der Vergleichsschaltung 14 zur Steuerung eines Überwachungsgeräts (z.B. einer Klimaanlage) verbunden. 25

Die Funktion der Feuchtigkeitsmeßschaltung der Erfindung ist nachfolgend beschrieben.

Der Verstärker 28 erzeugt eine Wechselspannung mit einer Frequenz, die durch den RC-Block, bestehend aus den Kondensatoren 20, 21, 22 und den Widerständen 23, 24, bestimmt wird. Mittels der Dioden 26, 27 und des Widerstands 25 wird die Amplitude dieser Wechselspannung auf einem vorgegebenen Wert eingestellt. Die Wechselspannung wird dann über die Klemme 29 an ein Ende eines Schaltkreises angelegt, der aus den Widerständen 30, 31 und dem feuchtigkeitsempfindlichen Element 1 besteht. Dieser Schaltkreis korrigiert die Kennlinie, d.h. den Kurven-

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verlauf der Abhängigkeit des elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden 2, 3 des feuchtigkeitsempfindlichen Elements 1 von der relativen Feuchtigkeit, von F nach H, wie aus Fig. 6 ersichtlich. Mit anderen Worten, der elektrische Widerstand wird bei niedriger Feuchte mit Hilfe des Widerstands 31 erniedrigt (in Richtung von M₁), und der elektrische Widerstand bei hoher Feuchte wird mit Hilfe des Widerstandes 30 erhöht (in Richtung von M~).

Da sich der Widerstand des aus den Widerständen 30, 31 und dem feuchtigkeitsempfindlichen Element 1 bestehenden Schaltkreises nach Maßgabe der relativen Feuchte, die durch das feuchtigkeitsempfindliche Element 1 gemessen wird, ändert, wird das Wechselstrom-Eingangssignal von der Ausgangsklemme 29 zu einem Wechselstrom-Ausgangssignal, das der gemessenen relativen Feuchte entspricht und als Eingangssignal der positven Eingangsklemme des Verstärkers 34 über die Ausgangsklemme 33 zugeführt wird. Das Wechselstrom-Eingangssignal von der Ausgangsklemme 33 wird durch den Verstärker 34 verstärkt, mittels der Diode 34 der Halbwellen-Gleichrichtung und weiterhin mittels des Widerstands 37 und des Kondensators 38 einer Glättung unterworfen und dann als Ausgangssignal einer Gleichspannung der negativen Eingangsklemme des Verstärkers über die Ausgangsklemme 39 zugeführt.

Die Spannung an der Verbindungsstelle zwischen dem halbvariablen Widerstand 45 und dem Widerstand 46, die mittels des Widerstands 44, des halbvariablen Widerstands 45, des Widerstands 46 und des variablen Widerstands 47 eine Teilung erfährt, wird mittels des variablen Widerstands

^OJ 47 eingestellt und als Bezugseingangssignal der positiven Eingangsklemme des Verstärkers 41 über die Ausgangsklemme 49 zugeführt.

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Als Folge hiervon liefert der Verstärker 41 eine Spannung als Ergebnis des Vergleichs des Bezugseingangssignals, das als Eingangssignal der positiven Eingangsklemme zugeführt wird, und des Ausgangssignals, das der relativen Feuchtigkeit entspricht, zur Steuerschaltung 16 über die Ausgangsklernme 43. Die Steuerschaltung 16 steuert auf der Grundlage des Eingangssignals von der Ausgangsklemme 43 die Überwachungseinrichtung.

In Fig. 7 ist eine weitere Feuchtigkeitsirießschaltung gezeigt, die aus den nachfolgend beschriebenen Blöcken besteht.

Die Meßschaltung von Fig. 7 besitzt einen Spannungswandler bzw. Transformator 18, der eine von einer Wechselstromspannungsquelle herrührende Spannung in eine vorgegebene Spannung umwandelt, eine feuchtigkeitsempfindliche Schaltung 11 mit einem Paar von Elektroden 2, 3, die mittels des feuchtigkeitsempfindlichen Materials 4 verbunden sind, wobei einer Elektrode das Ausgangssignal des Transformators 18 zugeführt wird, einer Bezugseingangsschaltung 15, die das Bezugseingangssignal erzeugt, einer Vergleichsschaltung 14, die das andere Ausgangssignal des Elektrodenpaars 2, 3 mit dem Bezugseingangssignal der Bezugseingangsschaltung 15 vergleicht, einem Verstärkerkreis 12, der das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 14 verstärkt, einem Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler 13, der das Wechselstrom-Ausgangssignal des Verstärkerkreises 12 in ein Gleichstromsignal umwandelt, und eine Steuerschaltung 16, der das Ausgangssignal des Wandlers 13 als Eingangssignal zugeführt wird und die die Überwachungsein-

^OJ richtung steuert.

Die Transformatorschaltung 18 besteht aus einer Wechselstromquelle 70, die mit Primärwicklungen 72 eines Trans-

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formators 71 verbunden ist, der eine vorgegebene Wechselspannung zwischen Anschlußklemmen a und b der Sekundär-' wicklung 73 erzeugt.

Die feuchtigkeitsempfindliche Schaltung 11 enthält das feuchtigkeitsempfindliche Element 1, in der das feuchtigkeitsempfindliche Material 4 der Erfindung Verwendung findet. Mit einer Elektrode 2 des Elements 1 ist ein Widerstand 30 in ,Serie geschaltet. Parallel zu dieser Serienschaltung des Elements 1 und des Widerstands 30 ist ein Widerstand 31 geschaltet.

Die Bezugseingangsschaltung 15 enthält einen Widerstand 50, einen Widerstand 51, einen variablen Widerstand 52 und einen halbvariablen Widerstand 53, die mit der feuchtigkeitsempfindlichen Schaltung 11 eine Brückenschaltung bilden. Diese Brückenschaltung bildet die Vergleichsschaltung 14, die durch die Wechselspannung gespeist wird, die als Eingangssignal von den Klemmen a und b der Transformatorschaltung 18 geliefert wird.

Der Verstärkerkreis 12 besitzt einen Transistor 62, dessen Basis mit einem Schieber 54 des Widerstands 53 über einen Widerstand 55 und einen Kondensator 57 zur Unterbrechung der Gleichspannungskomponente verbunden ist, und dessen Emitter mit dem Verbindungspunkt der feuchtigkeitsempfindlichen Schaltung 11 der Brückenschaltung, die die Vergleichsschaltung 14 bildet, und des Widerstands 51 über einen Widerstand 60 und einen Kondensator 61 verbunden ist.

Die Wechselspannung, die als Eingangssignal einer Sekundärwicklung 65 des Transformators 71 zugeführt, wird, wird mittels einer Glättungs-Gleichrichterschaltung 66 in eine Gleichspannung umgewandelt, wobei eine Spannung, deren Wert durch die Widerstände 58, 59 gegeben ist, zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 62 erzeugt wird.

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In die Verbindung der feuchtigkeitsempfindlichen Schaltung 11 mit dem Widerstand 51 und dem Schieber 54 ist ein Kondensator 56 zur Unterdrückung des Hochfrequenzrauschens eingebaut.

Der Kollektor des Transistors 62 ist mit einem Widerstand 63 verbunden, der den Kollektorstrom in eine Spannung umwandelt und eine Wechselstromspannung als Ausgangssignal über einen Kondensator 64 und eine Ausgangsklemme liefert.

Der Wechselstrom-Gleichstrom-Spannungswandler 13 wandelt •5 d_{as von} d_er Ausgangsklemme 67 herrührende Eingangssignal in ein Gleichstrcmsignal um und liefert ein Gleichspannungs-Ausgangssignal an die Steuerschaltung 16. Die Steuerschaltung 16 steuert die Überwachungseinrichtung (z.B. eine Klimaanlage) nach Maßgabe des von dem Wandler 13 gelieferten Ein-

*^u gangssignals.

Im Vergleich zu den in den Figuren 4 und 5 gezeigten Schaltungen ist die Feuchtigkeitsmeßschaltung der Fig. 7

durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet: 25

In den Schaltungen der Figuren 4 und 5 wird das Eingangssignal von dem Schwingkreis 10 geliefert, und die Wechselspannung, die nach Maßgabe der von der feuchtigkeitsempfindlichen Schaltung 11 gemessenen Feuchtigkeit bestimmt

ist, wird einmal durch den Verstärkerkreis 12 verstärkt, dann mittels des Spannungswandlers 13 zu Gleichspannung umgewandelt und schließlich mit dem Bezugseingangssignal der Bezugseingangsschaltung 15 verglichen, wodurch die Überwachungseinrichtung gesteuert wird.

Im Gegensatz hierzu bilden in der Schaltung von Fig. 7 die feuchtigkeitsempfindliche Schaltung 11 und die Bezugseingangsschaltung 15 die Brückenschaltung der Vergleichs-

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schaltung 14, und deshalb findet hier mittels des Verstärkers 12 eine Verstärkung der Differenzkomponente des Bezugseingangssignals und der Wechselspannung statt, die sich nach Maßgabe der durch die feuchtigkeitsempfindliche Schaltung 11 gemessenen Feuchtigkeit ändert.

Mit anderen Worten, die Schaltung in Fig. 7 verwendet die Wechselspannungsquelle 70, wodurch der Schwingkreis 10 in den Figuren 4 und 5 durch die Transformatorschaltung 18 ersetzt und somit die Schaltung vereinfacht wird. Eine charakteristischere Eigenschaft der Schaltung besteht in der Vereinfachung der Bezugseingangsschaltung durch Auslegung der Vergleichsschaltung 14 als Brückenschaltung.

Gemeinsame Merkmale der Feuchtigkeitsmeßschaltungen der Erfindung gemäß den Figuren 4, 5 und 7 bestehen darin, daß, abgesehen von der Herbeiführung des Steuervorgangs durch Abstinmen bzw. Schalten, die Wechselspannung an eine der Elektroden des feuchtigkeitsempfindlichen Elements 1 mittels des Schwingkreises 10 oder der Transformatorschaltung 18 angelegt wird, und die Feuchtigkeit als Wechselspannung-Ausgangssignal von der anderen Elektrode 3 des feuchtigkeitsempfindlichen Elements abgenommen wird. Die Gründe hierfür sind nachfolgend angegeben.

Bei dem Mechanismus der elektrischen Leitfähigkeit des feuchtigkeits-3" empfindlichen Materials der Erfindung handelt es sich um eine Ionenleitfähigkeit, die hauptsächlich von dem kationaktiven Monomeren bzw. Polymeren herrührt.

Infolgedessen findet in der Umgebung der Elektroden 2,3

bei Anlegung der Gleichspannung eine Segregation bzw. Abscheidung statt. Mit anderen Worten, das Anlegen der Gleichspannung an das feuchtigkeitsempfindliche Material 4 für längere Zeit beeinträchtigt die Natur des feuchtig-

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keitsempfindlichen Materials 4, wie in Fig. 8 aus der Kurve I ersichtlich ist, und zwar infolge der Segregation und der hiermit verbundenen Widerstandszunähme. Wenn man die Gleichspannung längere Zeit anlegt, kann es darüber hinaus zu einer Zerstörung des feuchtigkeitsempfindlichen Materials 4 kommen. Um dieses zu verhindern, wird an das feuchtigkeitsempfindliche Element 1 die Wechselspannung angelegt.

Nachfolgend ist ein Filter beschrieben, der im Fall der Verwendung des Feuchtigkeitsmeßfühlers der Erfindung in Atmosphären mit folgenden Bestandteilen Anwendung findet: 15

(1) ionisierende Stoffe

(2) organische Gase

(3) Tabakrauch, Staub oder dergleichen

(4) Wassertröpfchen bzw. Nebel. 20

In Fig. 9 ist ein Filter 9 dargestellt, das auf einer Montageplatte so angebracht ist, daß das feuchtigkeitsempfindliche Element von einem Gehäuse umgeben wird. Das Filter 9 wird durch Pressen aus teilchenförmigen, hydrophobem Kunststoff, z.B. aus Acrylnitril-Styrol-Copolymerisat, hergestellt (vgl. Fig. 10). Dies bedeutet, daß das gepreßte Filter unzählige feine Kanäle besitzt. Als Folge hiervon besitzt das Filter 9 die Funktion, nur die gasförmigen Bestandteile einer Atmosphäre durchzulassen und

^ou feste und flüssige Bestandteile zurückzuhalten. Es ist somit möglich, das feuchtigkeitsempfindliche Element 1 vor schädlichen festen und flüssigen Bestandteilen der Atmosphäre zu schützen, ohne die Feuchtigkeitsmeßfunktion zu beeinträchtigen.

Für den Fall, wo das Filter 9 durch Verpressen unzähliger Teilchen aus Acrylnitril-Styrol-Copolymerisat mit zylindrischer Gestalt gemäß Fig. 9 mit einem lichten Durch-

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messer von 10mm, einer Höhe von 19mm, einer Dicke von 3mm, einer Porosität von 37,4 Prozent und einer Filtrationsporengröße von 10Ομπιhergestellt worden ist, zeigt Fig. 11 die Feuchtigkeitsempfindlichkeit bei Änderung der relativen Feuchte von 40 bis 60 Prozent, und Fig. die Feuchtigkeitsempfindlichkeit bei Änderung der relativen Feuchte von 60 bis 80 Prozent. Die Kurve J in Fig. und die Kurve K in Fig. 12 gelten für den Fall, wo kein Filter 9 Anwendung findet. Die Kurven J_f in Fig. 11 und die Kurve K_f in Fig. 12 gelten für den Fall der Verwendung des Filters 9.

Die Figuren 11 und 12 zeigen, daß die Feuchtigkeitsempfindlichkeit durch Verwendung des Filters 9 kaum beeinträchtigt wird. Neben dem bereits genannten Acrylnitril-Styrol-Copolymerisat können auch andere hydrophobe Stoffe, wie Acrylnitril-Butadien-Styrol-Terpolymerisate, Polypropylen, Polyäthylen, oder dergleichen Verwendung finden.

Wenn das Filter 9 aus unzähligen Teilchen mit gleichmäßigem Durchmesser besteht, tritt nur ein sehr geringer Druckabfall auf.
25

Die Beispiele zur Herstellung von feuchtigkeitsempfindlichem Material erläutern die Erfindung.

In den Beispielen findet als kationaktives Monomeres ^O 2-Hydroxy-3-methacryloxypropyltrimethylammoniumchlorid (HMTMA) Verwendung.

Beispiel 1

^⁵ Ein Gemisch aus 20 bis 80 Teilen HMTMA, 80 bis 20 Teilen Vinylmonomerem, z.B. Vinylalkohol, und 2 Teilen Benzoylperoxid als Polymerisationsinitiator werden in 5 Teilen Methanol als Lösungsmittel bei einer Temperatur von 50

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12O°C für eine Dauer von 5 bis 15 Stunden der Polymerisation unterworfen. Hierbei erhält man eine Copolymerisatlösung.

Beispiel 2

Ein Gemisch aus 20 bis 80 Teilen HMTMA und 80 bis 20 Teilen Äthylen und/oder CH₂=CH-X (wobei X die Bedeutung OH, CH₃, OCOCH₃, CgH₅Cl, usw. haben kann) und 2 Teilen Benzoylperoxid werden in 50 Teilen Methanol 5 bis 15(15O) Stunden auf 50 bis 120⁰C erhitzt. Hierbei erhält man eine Copolymerisatlösung.

Beispiel 3

Ein Gemisch aus 20 bis 80 Teilen HMTMA, 80 bis 20 Teilen Polypropylenglykolmonomethacrylat und 2 Teilen Benzoylperoxid wird in 50 Teilen Methanol 5 bis 15 Stunden auf 50 bis 120⁰C erhitzt. Hierbei erhält man eine Copolymerisatlösung.

Beispiel 4

Ein Gemisch aus 45 Teilen HMTMA, 55 Teilen 2-Äthylhexylmethacrylat und/oder Isobutylrrethacrylat und 2 Teilen Benzoylperoxid in 20 Teilen Methanol wird 5 bis 15 Stunden auf 50 bis 120⁰C erhitzt. Hierbei erhält man eine Copolymerisatlösung.

Beispiel 5

Ein Gemisch aus 100 Teilen HMTMA und 2 Teilen Benzoylperoxid in 50 Teilen Methanol wird 5 bis 15 Stunden auf 50 bis 120⁰C erhitzt. Hierbei erhält man eine Homopolymerisatlösung.

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In allen Beispielen können Art und Menge des Initiators und des Lösungsmittels innerhalb des Rahmens geändert 5 werden, in dem die Polymerisation noch möglich ist.

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Claims

Patentansprüche

1( 1 Λ Feuchtigkeitsmeßfühler mit einem hochmolekularen Polymeren als feuchtigkeitsempfindliches Material, d a d u r ch gekennzeichnet , daß das Polymere ein kationaktives Monomeres enthält.

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2. Feuchtigkeitsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Polymere als Überzug oder Film auf einer oder mehreren kammförmigen Elektroden (2, 3) und einer Grundplatte (7) befindet.
3. Feuchtigkeitsmeßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerfilm einer Behandlung mit Dichromsäure oder einem Salz hiervon und einer Behandlung mit UV-Strahlung, Elektronenstrahlung oder einer anderen Strahlung oder einer Acetalisierungsbehandlung nach dem Erhitzen unterworfen worden ist.
4„ Feuchtigkeitsmeßfühler nach mindestens einem der An-

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Sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er von einem Filter aus einem hydrophoben Stoff als Gehäuse umgeben ist.
5. Feuchtigkeitsmeßfühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymere ein Homopolymerisat aus dem kationaktiven Monomeren oder ein Copolymerisat aus dem kationaktiven Monomeren und einem oder mehreren Comonomeren ist.
6. Feuchtigkeitsmeßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Comonomere ein äthylenisch ungesättigtes Monomeres, ein Acrylsäureester oder Methacrylsäureester ist.
7. Feuchtigkeitsmeßfühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kationaktive Monomere 2-Hydroxy-3-methacryloxypropyltrimethylammoniumchorid oder Methacryläthyltrimethyl-ammoniumchlorid ist.
8. Feuchtigkeitsmeßschaltung, gekennzeichnet durch einen Schwingkreis (10), ein Paar Elektroden (2, 3), die durch einen Film aus einem Polymeren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 verbunden sind, wobei das Ausgangssignal des Schwingkreises (10) einer der Elektroden als Eingangssignal zugeführt wird, und einen Verstärkerkreis (12), der mit der anderen der beiden Elektroden (2, 3) verbunden ist.
9. Feuchtigkeitsmeßschaltung, gekennzeichnet durch einen Schwingkreis (10), ein Paar von Elektroden (2, 3), die miteinander durch einen Film aus einem Polymeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 verbunden sind, wobei das Ausgangssignal des Schwingkreises (10) einer der Elektroden (2, 3) als Eingangssignal zugeführt wird, einen Ver-

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stärkerkreis (12), der mit der anderen der beiden Elektroden (2, 3) verbunden ist, einem Wechselstrom-Gleichstromwandler (13), der das Wechselspannungs-Ausgangssignal des Verstärkerkreises (12) in eine Gleichspannung umwandelt, eine Bezugseingangsschaltung (15) , die ein Bezugseingangssignal liefert, eine Vergleichsschaltung (14), die das Bezugseingangssignal der Bezugseingangsschaltung mit dem Ausgangssignal des Wandlers (13) vergleicht, und eine Steuerschaltung (16), die zur Steuerung einer Überwachungseinrichtung mittels des Ausgangssignals der Vergleichsschaltung (14) dient.
10. Feuchtigkeitsmeßschaltung, gekennzeichnet durch eine Transformatorschaltung (18), die eine von einer Spannungsquelle (70) herrührende Spannung auf eine vorgegebene Spannung bringt, ein Paar von Elektroden (2, 3), die durch einen Film aus einem Polymeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 miteinander verbunden sind, wobei das Ausgangssignal der Spannungsschaltung (18) einer der beiden Elektroden (2, 3) als Eingangssignal zugeführt wird, einer Bezugseingangsschaltung (15), die ein Bezugseingangssignal erzeugt, einer Vergleichsschaltung (14), die das Ausgangssignal der anderen der beiden Elektroden (2, 3) mit dem Bezugseingangssignal der Bezugseingangsschaltung (15) vergleicht, einem Verstärkerkreis (12), der das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung (14) verstärkt, einem Wechselspannungs-Gleichstromspannungs-Wandler (13) , der die Ausgangswechselspannung des Verstärkerkreises (12) zu einer Gleichspannung umformt, und eine Steuerschaltung (16), die eine Überwachungseinrichtung mittels des Ausgangssignals des Wandlers (13) steuert.

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