DE3407407A1

DE3407407A1 - Sensor zur messung von wasserdampfpartialdruecken und damit zusammenhaengenden groessen

Info

Publication number: DE3407407A1
Application number: DE19843407407
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 6238 Hofheim Tauber
Original assignee: Schott Gerate GmbH
Current assignee: Schott Gerate GmbH
Priority date: 1984-02-29
Filing date: 1984-02-29
Publication date: 1985-08-29

Description

Beschreibung
Die relative Feuchte in Luft und anderen Gasen ist eine wichtige Einflußgröße bei vielen chemischen und physikalischen Reaktionen. Die Erfassung dieser Größe ist daher von großer Bedeutung in der Forschung. Auch in der Klimatechnik, bei der Halbleiterfertigung, -in der UHV-Technologie und in vielen, weiteren Bereichen von Industrie und Wissenschaft ist die Messung und/oder Regelung der relativen Feuchte wichtig.
Die folgenden verschiedenen Meßverfahren werden angewandt: a) Das Haar-Hygrometer ist sehr bekannt; es liefert meist hinreichend genaue Ergebnisse. Es muß jedoch immer senkrecht und gut sichtbar aufgestellt werden, und die Meßwerte können nur visuell abgelesen werden.
b) Ferner werden Taupunkt-Hygrometer eingesetzt, um Wasserdampf-Partialdrücke oder relative Feuchte zu messen. Dazu wird ein Docht mit der Lösung eines hygroskopischen Salzes getränkt und die elektrische Leitfähigkeit auf einen fest eingestellten Wert geregelt, indem die Temperatur des Dochtes verändert wird. Aus den elektrischen Regelgrößen kann auf den Taupunkt geschlossen werden.
c) Ein weiteres Verfahren der Feuchtemessung basiert auf dem psychrometrischen Meßprinzip. Dabei wird die Temperaturdifferenz zwischen einem trockenen und einem feuchten Temperaturfühler gemessen. Durch Verdunstung von Wasser am feuchten, mit Gewebe ummantelten Temperaturfühler wird diesem Wärme entzogen. Zur Einstellung des Gleichgewichts und damit eines korrektes Mcßwcrtc; ItlUß der feuchte Temperaturfühler mit hoher Luftyeschwindii! ()2,5 m/sec) umströmt werden.
d) Ein anderes Meßprinzip beruht auf der Anderung der Kapazität eines als Sensor ausgebildeten Kondensators mit der relativen Feuchte. Diese Sensoren arbeiten im Bereich von 1 - 96 % r.F.; sie sind noch nicht lange auf dem Markt.
Die Nachteile der herkömmlichen Meßverfahren und -instrumente sind folgende: a) Das Haar-Hygrometer liefert keine elektrische Meßgröße.
Es kann deshalb nicht in der elektronischen Datenerfassung oder zur Regelung anderer physikalischer Größen eingesetzt werden. Durch ihre mechanische Empfindlichkeit ist der Einsatz dieser Hygrometer stark eingeschränkt.
b) Die Taupunkt-Hygrometer sind aufwendig in der Wartung und erfordern geschultes Bedienungspersonal. Die Auswertelektronik ist aufwendig.
c) Das psychrometrische Prinzip erfordert eine aufwendige Fühlerkonstruktion (Gebläse für hohe Strömungsgeschwindigkeit) und sehr viel Meßgas. Die Temperaturerniedrigung am Meßfühler ist nicht nur eine Funktion der relativen Feuchte, sondern auch der Temperatur und des Luftdruckes.
d) Das auf der Kapazitätsänderung eines Kondensators beruhende Meßprinzip erfordert lange Einstellzeiten und eine aufwendige Auswertelektronik.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Feuchte-Sensor, der sämtliche nachfolgenden Merkmale aufweist: 1 - Unkomplizierter Aufbau; preiswert; 2 - Als Funktion der relativen Feuchte und der Temperatur entsteht ein elektrisches Signal; 3 - Chemische und mechanische Widerstandsfestigkeit; 4 - Großer Meßbereich bezüglich der relativen Feuchte; 5 - Großer Temperaturbereich des Einsatzes; 6 - Kurze Einstellzeit; 7 - Sensortemperatur gleich Temperatur des Meßmediums; 8 - Leichte Handhabung; 9 - Begnügt sich mit einfacher Auswertelektronik; 10 - Vielzahl möglicher Bauformen.
Dieses Ziel wird mit einem Feuchte-Sensor gemäß den Patentansprüchen erreicht. Dem Meßprinzip liegt eine einfache Widerstandsmessung zugrunde, wobei ausgenutzt wird, daß sich der elektrische Oberflächenwiderstand bestimmter Gläser mit dem Feuchtegehalt der umgebenden Luft ändert.
Bei dem erfindungsgemäßen Feuchte-Sensor wird ein dünner Film aus einem niederohmigen Sensorglas mit Metallelektroden kontaktiert. Der zwischen den Metallelektroden gemessene Widerstand ist ein Maß für die relative Feuchte, wenn die angelegte Gleich- oder Wechselspannung einen Minimalwert überschreitet. Voraussetzung ist, daß der von der Feuchte abhängige Oberflächenwiderstand des Sensorglases klein ist im Vergleich zum Volumenwiderstand des Glases, was durch geeignet gewählte Geometrie des Sensorteils bewerkstelligt werden kann.
Einfacher ist es jedoch - und dies stellt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar - den dünnen Film aus niederohmigem Sensorglas auf ein hochohmiges Trägerglas aufzubringen, wobei das Verhältnis der Widerstände von Sensorglas und Trägerglas hjnreichend klein sein soll.
Die Temperaturkompensation von Grundwiderstand und Widerstandsänderung durch Feuchte erfolgt durch einen eingebauten Temperaturfühler (Pt 1005L, NTC, etc.), der in der Nähe der Elektroden angebracht ist. Durch Messung von Temperatur und Widerstand des Sensors kann auf den Wasserdampf-Partialdruck, die relative Feuchte und den Taupunkt geschlossen werden.
Die Empfindlichkeit des Feuchtesensors hängt im wesentlichen von Verhältnis des Oberflächenwiderstandes zum Volumenwiderstand, von der Temperatur und der Art und Vorbehandlung des Sensorglases ab. Im Bereich von 0 bis 100 % r.F. kann sich der Sensorwiderstand bis zu einem Faktor 10.000 ändern.
Der Grundwiderstand bei 0 % r.F. wird durch die Temperatur, die Art und Geometrie des Sensorglases und die Geometrie der Metallelektroden bestimmt.
Als Elektrodenmaterial kann anstelle von Metall auch ein anderes Material verwendet werden, welches gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und sich mit der Oberfläche des Sensorglases gut verbinden läßt.
Mit dem erfindungsgemäßen Feuchte-Sensor ist es auch möglich, in (organischen) Flüssigkeiten mit genügend hohem Eigenwiderstand den Wassergehalt innerhalb bestimmter Grenzen zu messen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer beispielhafter Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform mit Trägerglas im Schnitt; Figur 2 die gleiche Ausführungsform in Draufsicht.
Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform mit Trägerglas in Draufsicht.
Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsformen ohne Trägerglas im Schnitt.
Bei dem in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Feuchtesensor ist ein dünner Film aus niederohmigem Sensorglas 1, einem Glas mit hohem Alkaligehalt, auf ein Rundbodenglas aus hochohmigem Trägerglas 3 aufgeschmolzen. Zwei Elektroden (Platindrähte) 2 und 2' sind durch die Wandung des Trägerglases 3 nach außen geführt und auf die Oberfläche des Sensorglases 1 aufgeschmolzen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 sind diese Elektroden parallel geführt.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Elektroden 2, 2' mäanderförmig auf die Oberfläche des Sensorglases 1 aufgebracht.
Die Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und Fig. 5 unterscheiden sich wesentlich von den Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 2 und 3. Bei dem Feuchte-Sensor gemäß Fig. 4 ragen zwei Elektroden 2, 2' aus einem Rundbodenglas 4 heraus. Ein dünner Film aus Sensorglas 1 ist zwischen diesen beiden Elektroden 2, 2 bespannt.
Bei dem Feuchte-Sensor gemäß Figur 5 ist das Sensorglas 1 in Form einer dünnen Glasfaser um die Elektroden 2, 2' gewickelt.
Da der Oberflächenwiderstand des Sensorglases bei niedrigen relativen Feuchten besonders hoch ist, wird die Empfindlichkeit des Feuchte-Sensors bei niedrigen relativen Feuchten besonders durch ein kleines Verhältnis von Volumenwiderstand zu Oberflächenwiderstand ungünstig beeinflußt.
Die Bauform des erfindungsgemäßen Feuchte-Sensors bestimmt daher dessen Einsatzbereich.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Feuchte-Sensor zeigt im Bereich von 0 bis 100 % r.F. eine Widerstandsänderung von etwa drei Zehnerpotenzen. In Richtung auf niedrige ( (10 %) relative Feuchten hin wird die Empfindlichkeit des Sensors durch den Grundwiderstand herabgesetzt. Durch geeignete Geometrie, Vorbehandlung und Auswahl von Sensor-und/oder Trägerglas kann ein Empfindlichkeitsbereich von 104 bezüglich der Widerstandsänderung entsprechend einer relativen Feuchte von 0 bis 100 % erzielt werden.

Claims

Sensor zur Messung von Wasserdampfpartialdrücken und damit zusammenhängenden Größen Patentansprüche: I.'i Verfahren zur Bestimmung der relativen Feuchte eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander beabstandete Elektroden mit der Oberfläche einer Schicht aus einem niederohmigen Glas kontaktiert werden, daß an diese Elektroden.eine elektrische Gleich- oder Wechselspannung angelegt wird, und daß der elektrische Widerstand zwischen diesen Elektroden gemessen wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, bestehend aus einem dünnen Film aus einem niederohmigen Sensorglas (1) und aus zwei Elektroden (2, 2'), welche die Oberfläche dieses dünnen Films im Abstand voneinander kontaktieren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Film aus niederohmigem Sensorglas (1) auf ein hochohmiges Trägerglas (3) aufgebracht ist, wobei das Verhältnis der Widerstaände von Sensorglas und Trägerglas hinreichend klein sein soll.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglas (1) in Gestalt eines dünnen Glasfilms zwischen zwei parallele, abstehende Elektrodendrähte (2, 2') gespannt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglas (1) in Gestalt von dünnen Glasfasern um zwei parallele, abstehende Elektrodendrähte (2, 2') gewickelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler in der Nähe der Elektroden angebracht ist, um die Temperaturabhängigkeit der Meßgrößen zu kompensieren.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorglas aus einem alkalireichen Glas besteht.