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8 e s-c h r e i b u n g
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Eines der schwierigsten Probleme auf dem Gebiet der Sensorik stellt
die Messung der relativen Feuchtigkeit der Luft oder auch anderer Gase bzw. Gasgemische
dar. Die Bestimmung des Feuchtegehaltes poröser Feststoffe stößt ebenfalls, vor
allem im unteren Feuchtebereich, auf ungewöhnliche Hindernisse.
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In der Hygrometrie nutzt man die Längenänderung von Natur-oder Kunsthaar,
die Kapazitätsänderung miniaturisierter Plattenkondensatoren mit hygroskopischem
Dielektrikum, die Abkühlung einer verspiegelten Metallfläche bis zum Auftreten des
ersten Tauwasserniederschlages, die Gleichgewichtstemperatur von Lithiumchlorid
im Umwandlungspunkt Lösung/Salz und die Leitfähigkeitsänderung der hygroskopischen
Beschichtung von Kunststoffplättchen als physikalische Erscheinungen, die mit der
jeweiligen Relativ feuchte der Umgebungsluft in Zusammenhang stehen. Als Meßnormal
wird bevorzugt das Aspirationspsychrometer nach ASSMANN auf Grundlage der SPRUNGschen
Formel verwendet, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen einem Trocken- und einem
Feuchtthermometer, das in einem künstlichen Luftstrom auf die Verdunstungskälte
reagiert, auf die Umgebungsluftfeuchte schließen läßt.
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Alle biher bekannt gewordenen Methoden leiden unter einer unbefriedigenden
Meßgenauigkeit und einem ziemlich komplizierten Geräteaufbau. Die bei der Feuchtebestimmung
im Inneren oder an der Oberfläche von Feststoffen fast ausschließlich angewandte
Widerstandsmessung zwischen zwei Elektroden führt erfahrungsgemäß nur bei häufig
verarbeiteten Holzarten zu einigermaßen brauchbaren Werten.
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Die bei bauphysikalischen Untersuchungen besonders oft erforderliche
Bohrloch- oder Hohlraumsondierung ist wegen der sperrigen Sensoren mit erheblichen
Schwierigkeiten verbunden. Dem Wunsch nach weitestgehend zerstörungsfreier Prüfung
kann nur selten entsprochen werden; die Wiederherstellung des ursprünglichen Zustandes
ist manchmal sehr aufwendig.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich die Hauptprobleme
der bisher zur Verfügung stehenden Methoden für die Luft- oder Stoff-Feuchtemessung
vermeiden: Bringt man ein edleres und ein unedleres Metall mit der wässerigen Lösung
eines Elektrolyten in Kontakt, bildet sich unverzüglich eine Potentialdifferenz
zwischen den beiden Metallen aus, wobei das edlere positiv gegen das unedlere wird.
Diese Gleichspannung läßt sich auf einem Digitalmulti- oder -voltmeter mit hohem
Eingangswiderstand exakt zur Anzeige bringen.
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Durch Tränkung einer hygroskopischen Beschichtung der beiden Metalle
mit der Elektrolyt-Lösung und anschließende Trocknung wird erreicht, daß die Potentialdifferenz
fast auf Null sinkt.
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Setzt man nun die Versuchsanordnung einer Umgebungsluft mit ungefähr
40 Prozent relativer Feuchtigkeit aus, dann setzt sich die hygroskopische Beschichtung
ins Feuchtegleichgewicht und beeinflußt dadurch den Elektrolyten, der den Aufbau
einer kleinen Potentialdifferenz verursacht. Bei Erhöhung der relativen Luftfeuchte
verschiebt sich auch die Gleichgewichtsfeuchte, die Elektrolyt-Tränkung wird aktiver
und die-Potentialdifferenz nimmt zu. Sie erreicht ihren Endwert, wenn die Umgebungsluft
ihren Sättigungszustand, also eine Relativfeuchte von >99% aufweist. Die Höhe
der meßbaren Spannung hängt in erster Linie von der Distanz der beiden Metalle in
der elektrochemischen Spannungsreihe ab, bei der die Wasserstoff-Elektrode als Null-Linie
gewählt ist, auf die sich die Normalpotentiale sämtlicher Metalle beziehen.
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Verwendet man die wässerige Lösung eines zerfließlichen und somit
hochhygroskopischen Salzes als Elektrolyten, dann besteht im Falle einer unzureichenden
Verdünnung die Gefahr, daß die Abhängigkeit der Potentialdifferenz von der Relativfeuchte
der Umgebungsluft verloren geht, weil das Salz begierig Wasserdampf aufnimmt und
die Ausbildung einer Gleichgewichtsfeuchte in der hygroskopischen Beschichtung verhindert.
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Dies trifft beispielsweise bei der Verwendung von Lithiumchlorid zu.
Der optimale Verdünnungsgrad, bei dem einerseits die
Beeinträchtigung
der Beschichtungsanpassung vermieden und andererseits eine zu starke Austrocknung
in feuchtearmer Umgebung unterbunden wird, hängt von verschiedenen Einflußgrößen
ab und kann nur im Versuch ermittelt werden. Eine Masserelation LiCl / H20 = 1 :
20 gibt allenfalls einen groben Anhalt für einen brauchbaren Verdünnungsgrad.
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Diese grundsätzlichen überlegungen und die darauf beruhenden Vorversuche
waren Ausgangsbasis für die erfindungsgemäßen Feuchte-Sensoren, die für zwei verschiedene
Einsatzfälle zu optimieren waren: Im ersten Falle ging es um die Herstellung einer
möglichst robusten Kleinsonde zur Einführung in enge Bohrkanäle oder kleine Erschließungslöcher
von Hohlräumen. Diese Sonde sollte vor allem Aufschluß über Änderungen der Umgebungsfeuchte
geben und auch auf geringste Schwankungen reagieren. Als sekundäre Aufgabe sollte
ihr eine möglichst zuverlässige Bestimmung der relativen Luftfeuchte in Hohlräumen
obliegen.
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Im zweiten Falle war ein Sensor zu entwickeln, der als Teil eines
hochempfindlichen Hygrometers, das nicht nur für bauphysikalische, sondern auch
für meteorologische Zwecke einzusetzen wäre und den bekannten Systemen deutlich
überlegen sein müßte, wobei der Meßbereich eine relative Luftfeuchte zwischen ungefähr
30 % und 100 % erfassen sollte.
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Die Kleinsonde besteht aus zwei dünnen Drahtstücken unterschiedlicher
Metalle, die jeweils im mittleren Fünftel eine dichte einlagige Wicklung aus dünnem,
farblosem Baumwollgarn erhalten. Die äußeren Drahtbereiche werden mit einer dünnen
Isolierschicht umhüllt, die im Tauchverfahren aufgebracht werden kann. Nach ausgiebiger
Tränkung der beiden Wicklungen mit einer wässerigen Lösung von Lithiumchlorid und
nach Entfernung der überschüssigen Flüssigkeit werden die Drähte zuerst im Wicklungabereich
gegenseitig und dann in den Isolierungsbereichen jeweils mit sich selbst verdrillt,
nachdem man sie in der Mitte um 180 Grad abgeknickt hatte. Als letzter Arbeitsgang
folgt
die gegenseitige Verdrillung der Isolierungsbereiche und die Anbringung zweier Ministecker,
für die zweckmäßigerweise beim edleren Metall die Farbe Rot und beim anderen die
Farbe Schwarz gewählt wird. Nach Trocknung der hygroskopischen Wicklung in feuchtearmer
Warmluft ist die Sonde einsatzbereit. Durch ein zweiadriges Meßkabel wird die Verbindung
mit einem Digitalvoltmeter oder -multimeter hergestellt, dessen Eingangswiderstand
möglichst hochohmig sein sollte und dessen Auflösung bis in den Mikrovoltbereich
geht.
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Zum Zwecke der Kalibrierung führt man den Kopf der Bimetallsonde in
relativ kleine Testgefäße mit gesättigten Salziösungen verschiedener Art ein, in
denen sich über den Salzresten eine stabilisierte Relativfeuchte der Luftschicht
ausgebildet hat. Zur Vermeidung einer Störung dieses Prozesses wurde die möglichst
kleine Öffnung mit weichem Plastilin verschlossen, das später zum Abdichten der
Sondeneintrittsstelle verwendbar ist. Wegen des geringen Gefäßvolumens kann auf
eine künstliche Luftumwälzung verzichtet werden.
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Bei sinnvoller Abstimmung des Verdünnungsgrades- der Lid-Lösung mit
der hygroskopischen Wicklung erhält man eine we-itgehend drift freie Spannungsanzeige,
deren Wert mit zunehmender Relativfeuchte der jeweiligen Testgefäße auf einMaximum
ansteigt, das im oberen Millivoltbereich liegt und ungewöhnlich stabil bleibt. Dieses
Spannungsmaximum über destilliertem Wasser hängt in erster Linie von der Metallkombination
ab.
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Da die Feuchte-Kennlinien stetig verlaufen müssen, können sie unter
Verwendung von vier bis fünf Kalibrierungsfestpunkten in guter Näherung aufgezeichnet
werden.
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Beim Vergleich mehrerer Bimetallsonden derselben Gruppe kann man feststellen,
daß nur unbedeutende Kennlinien-Unterschiede auftreten.. Diese Tatsache ist für
den praktischen E-insatz von großem Vorteil, weil sie den Sondenaustausch vereinfacht.
In harten Versuchsreihen hat sich bereits herausgestellt, daß die Robustheit des
Sondenkopfes aufgrund des erfindungsgemäßen Verdrillungsprinzips ganz beachtlich
ist.
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Als Alternative zur beschriebenen Kleinsonde eignet sich in bestimmten
Fällen der Bohrkanaluntersuchung eine dünne Stabsonde, die anstelle eines hygroskopischen
Meßkopfes nur zwei abgewinkelte Drahtspitzen oder -bürstchen trägt, die aus den
verschiedenartigen Metallen bestehen und mit Hilfe einer einfachen Vorrichtung so
weit auseinander gespreizt werden können, daß sie die Lochleibung an zwei einander
diametral gegenüberliegenden Stellen berühren. Bei Vorhandensein einer bestimmten
Mindestfeuchte im angebohrten Material wird sich nach Ableitung der Bohrwärme auch
an der Lochleibung eine Wasserhaut bilden, die zwischen den beiden Metall fühlern
eine Potentialdifferenz erzeugt, die mit einem hochempfindlichen Digitalvoltmeter,
dessen Eingangswiderstand sehr groß sein muß, registriert werden kann. Der Spannungswert
erhöht sich mit zunehmender Feuchte und bewegt sich, wie Versuche beweisen, vom
Mikrovolt- in den unteren Millivolt-Bereich.
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Im Interesse einer möglichst großen Potentialdifferenz sollten Metalle
gewählt werden, deren Normalpotential sehr weit auseinander liegt, wie beispielsweise
Gold und Aluminium.
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Da im Regelfalle die Spannung bei jedem Abtastvorgang nach Erreichung
eines bestimmten Meßwertes zurückgeht, ist dieses Prinzip vor allem dann sinnvoll,
wenn in kürzester Zeit merkliche Feuchtigkeitsunterschiede im Bohrkanalbereich ermittelt
werden sollen.
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Als Grundkörper ist ein dünnes Kunststoffröhrchen zweckmäßig, das
im Hohlraum einen Zug- oder Druckdraht für die Spreizvorrichtung und auf seiner
Oberfläche die Zuleitungsdrähte zu den Fühlern enthält.
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Mit Hilfe eines Bimetall-Bürstensensors, der auf demselben Grundgedanken
beruht, ist es möglich, hauchdünne Wasserschichten auf einigermaßen glatten Oberflächen
aufzuspüren. Dies erlaubt beispielsweise eine rasche und zuverlässige Registrierung
des ersten Tauwasserniederschlages auf einer sich langsam abkühlenden Metallplatte,
die mit einer dünnen Isolierschicht überzogen ist, damit kein Kurzschluß auftritt.
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Im Unterschied zum bekannten Taupunkthygrometer mit Metallspiegel
ist keine optische überwachung, die Ungenauigkeiten zur Folge haben kann, erforderlich.
Die Messung der Oberflächentemperatur wird am besten auf berührungslose Weise mittels
Infrarot-Sensor durchgeführt.
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Ahnliche Anwendungsmöglichkeiten für einen Bimetall-Bürstensensor
bietet die Bauphysik, wo es oft darum geht, tauwassergefährdete Bereiche der umschließenden
Bauteile ausfindig zu machen, um geeignete Abhilfemaßnahmen treffen zu können.
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Der Hygrometer-Sensor für die zweite Entwicklungsaufgabe unterliegt
keiner einengenden Dimensionsbegrenzung. Aus diesem Grunde stellt er erfindungsgemäß
ein Bimetall-Kaskadensystem dar, das in Abhängigkeit von der Stufenzahl die jeweilige
Potentialdifferenz vervielfacht und auf diese Weise für anspruchsvolle Messungen
auch im unteren Feuchtebereich geeignet macht.
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Ein vorzugsweise hohlzylindrischer, dünnwandiger und stark perforierter
Grundkörper aus Hart-PVC oder einem sonstigen robusten Kunststoff bzw. Kunstharz
wird mit einer dünnen Saugpapierhülle oder einem Feingewebestrumpf umgeben. Nach
Auflegen eines weichen Längsdrahtes versieht man den Grundkörper mit blanken Feindrahtringen
aus den beiden unterschiedlichen Metallen, die im Wechsel aufzubringen sind und
eine jeweilige Distanz von ungefähr 6 bis 10 mm haben können. Wenn der Anfangsring
aus dem Metall A besteht, benutzt man für den Endring das Metall B. Nun wird der
Längsdraht, beginnend mit den Außenfeldern, in jedem zweiten Zwischenfeld durchtrennt
und mit seinen jeweiligen Überständen um die zugehörigen Ringe gebogen. Dann durchtrennt
man die Umhüllung in den Zwischenfeldern, die noch Längsdraht-Reststücke besitzen,
in der Weise, daß schmale Streifen entfernt werden können. Nach Tränkung der Umhüllungsrestringe
mit wässeriger Lithiumchlorid-Lösung und anschließender Trocknung versieht man die
beiden Außenringe aus den Metallen A und B mit Ministeckern, für deren Anschluß
freie Draht-Enden belassen worden waren. Damit die Stecker nebeneinander liegen
können, wird ein Anschlußdraht durch den Hohlzylinder hindurch auf die andere Seite
geführt.
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Anstelle des zunächst durchlaufenden Längsdrahtes lassen sich auch
kurze Drahtstücke aus dem edleren Metall A verwenden, die U-förmig vorgebogen und
beim Aufbringen der Ringe an den richtigen Stellen eingelegt werden. Dann biegt
man die hochstehenden U-Balken um die zugehörigen Ringe herum, wodurch auch bei
dieser Methode ein sicherer Kontakt erzielt wird.
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Als dritte Möglichkeit ist der Einsatz kurzer Drahtbrücken denkbar,
die mit Weichlötung befestigt werden.
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Unabhängig von den zweckmäßigsten Herstellungsdetails ist vor allem
die Schaffung möglichst gleichartiger elektrochemischer Einzelstufen von Bedeutung,
die in kürzester Zeit auf wechselnde Relativ feuchte der Umgebungsluft reagieren
und weitgehende Hysteresefreiheit aufweisen. Die Verwendung von Leinenfasern für
die hygroskopische Umhüllung des Grundkörpers verspricht besonders günstigen Effekt.
Die Drahtringe können aus einer oder zwei Windungen bestehen; im Normalfalle wird
man für die Kaskade 10 Stufen benutzen und dadurch die Dimensionen des Sensors verhältnismäßig
knapp halten. Obwohl grundsätzlich auch eine 20-stufige Kaskade denkbar wäre, käme
die Serienschaltung von zwei oder auch mehr Kaskaden zwecks Erzielung noch höherer
Meßspannungen eher in Betracht.
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Mit Hilfe eines Kleinstlüfters läßt sich die Sondenanpassung an das
Feuchtemilieu der Umgebung beschleunigen, die Perforation des Grundkörpers verbessert
die rückseitige Reaktion der hygroskopischen Umhüllung.
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Als Metalikombinationen wurden für die bisherigen Versuchsreihen die
Paarungen Gold/Aluminium, Gold/Zink, Gold/Eisen, Gold/Zinn, Gold/Silber, Silber/Aluminium,
Silber/Zink, Silber/ Zinn, Kupfer/Zink und Kupfer/Eisen eingesetzt. Der maximale
Drahtdurchmesser betrug 0,5 mm. Es hat sich gezeigt, daß auch Legierungen wie beispielsweise
Messing durchaus infrage kommen; ferner haben sich elektrolytische überzüge von
ausreichender Schichtdicke als geeignet erwiesen. Man kann somit zwischen reinem
und vergoldetem Silberdraht eine Potentialdifferenz erzielen, die allerdings verhältnismäßig
gering ist.
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Die Paarung Gold/Zinn dürfte sich in aggressiver Luft eignen.
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Da eine Bimetall-Kaskade mit 10 Stufen Maximalspannungen von ungefähr
9 Volt erzeugen kann, läßt sie sich auch als Spannungsquelle für elektronische Kleingeräte
verwenden, die im untersten Leistungsbereich liegen. Durch Paralielschaltun9 mehrerer
Kaskaden kann man die Stromstärke vergrößern. Der Elektrolyt müßte bei dieser Anwendungsart
eine: höhere Konzentration aufweisen, damit keine unerwünschte Trocknung eintritt.
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Durch diesen Erfindungsgedanken wird eine Alternative für Solarzellen
geschaffen, die infolge ihrer Abhängigkeit von der Strahlungsintensität einen Stromsammler
benötigen,/ der bei der Bimetall-Kaskade überflüssig wäre.