DE3832185A1

DE3832185A1 - Feuchtesensor und messanordnung zur messung der feuchte

Info

Publication number: DE3832185A1
Application number: DE3832185A
Authority: DE
Inventors: Fedor Dipl Phys Dr Mitschke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-09-22
Filing date: 1988-09-22
Publication date: 1990-03-29
Also published as: DE3832185C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor gemäß Ober begriff des Anspruchs 1 sowie eine Meßanordnung zur Messung der Feuchte.

Die Erfassung der Feuchte ist in vielen Anwendungs fällen von großem Interesse, beispielsweise in Klimaanlagen von Gebäuden oder in Trocknungsanlagen, beispielsweise in der Textil- oder Lebensmittelbranche.

Es ist bekannt, die Feuchte nach dem aufwendigen psychrometrischen Prinzip zu bestimmen, bei dem die Tem peraturdifferenz eines feuchten und eines trockenen Thermo meters bestimmt wird, die beide von der zu untersuchenden Luft umströmt werden. Es ist ferner bekannt, die porösen Eigenschaften von Stoffen, in die sich Wasser einlagert, zur Bestimmung der Feuchte zu nutzen. So nutzt man beim Haar- Hygrometer die feuchteabhängige Längenänderung eines Haares und bei elektronischen Hygrometern die feuchteabhängige Kapazitätsänderung eines Kondensators mit porösem Dielek trikum zum Ermitteln der Feuchte.

Bei all diesen Meßeinrichtungen sind die Meßsonden an sich relativ groß, gemessen an den Größenverhältnissen, wie sie heute in vielen technologischen Bereichen üblich sind.

Aus "Optical Fiber Sensors", 1988, Technical Digest Series, Vol. 2, Optical Society of America, Washington, D.C., (1988), S. 373-381, ist ein Vorschlag für einen faserop tischen Feuchtesensor bekannt geworden, bei dem in einer porösen optischen Faser ein Farbstoff eingelagert ist, der, wenn Wasser in seine Poren eindringt, mit dem Wasser reagiert und dabei seine Farbe ändert. Der Farbumschlag wird durch eine Absorptionsmessung erfaßt. Die Einstellzeit ist relativ groß, und der Sensorteil selbst ist relativ groß.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Feuchtesensor sehr geringer Größe, universeller Ein setzbarkeit, geringer Störanfälligkeit und hoher Widerstands fähigkeit zu schaffen. Ferner soll eine Meßanordnung unter Verwendung dieses Feuchtesensors angegeben werden.

Die Aufgabe wird hinsichtlich des Feuchtesensors durch die Merkmale gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Meßanordnung ist im Anspruch 10 angegeben.

Der erfindungsgemäße Feuchtesensor kann sehr klein gebaut werden mit einem Meßvolumen im Kubikmikrometer- Bereich. Er ist weitgehend unempfindlich gegen elektro magnetische Einstreuungen, was beispielsweise die Erfassung der Feuchte in Mikrowellenöfen während des Garvorganges gestattet. Die Lichtzuleitung kann über eine Glasfaser erfolgen; dadurch kann der erfindungsgemäße Feuchtesensor auch an schwer zugänglichen Stellen, etwa an elektrischen Maschinen, die Feuchte überwachen. Im Gegensatz zum Psychro meter ist eine Gasumwälzung nicht erforderlich; daher kann der erfindungsgemäße Feuchtesensor auch in sehr kleinen Probe-Volumina eingesetzt werden, beispielsweise in Hohl räumen in Baustoffen, Lebensmitteln oder in der biologisch/ medizinischen Forschung in Körperhohlräumen.

Die Adsorption des Wassers erfolgt reversibel, und die Einstellzeit, mit der der erfindungsgemäße Feuchtesensor auf Änderungen der Feuchte reagiert, ist relativ kurz. Die vorgesehene Schichtenstruktur bewirkt eine Verstärkung aufgrund von Vielstrahl-Interferenz, so daß die Wechsel wirkungslänge sehr klein gewählt werden kann.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der er findungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 schematisch im Schnitt den Aufbau eines Feuchtesensors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Meßan ordnung unter Verwendung des Feuchtesensors nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Transmission I _T/I ₀ von der Wellenlänge,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Brechungsindex der Abstandsschicht des Feuchtesensors nach Fig. 1 vom Wasserdampf partialdruck, und

Fig. 5 Feuchte-Meßergebnisse mit dem Feuchtesensor nach Fig. 1 (Ordinate) im Vergleich mit den Meßergebnissen eines kommerziellen elektro nischen Feuchtesensors (Abszisse) in einer Klimakammer.

Die Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines optischen Feuchtesensors 2. Auf einem Substrat 4 ist eine Mehrschichtenanordnung 6 vorgesehen, die aus einer ersten auf dem Substrat ausgebildeten Schichtenfolge 8, einer darauf aufgebrachten Schicht 10 und einer darauf aufge brachten zweiten Schichtenfolge 12 besteht. Die erste Schichtenfolge 8 ist als eine Folge von sich aufeinander folgend abwechselnden dünnen Schichten H aus einem Mate rial mit hohem Brechungsindex und dünnen Schichten L mit niedrigem Brechungsindex aufgebaut. Die eine Abstands schicht bildende Schicht 10 besteht aus einem Material mit hohem Brechungsindex. Die zweite Schichtenanordnung 12 ist aus einer Folge von sich aufeinanderfolgend abwechseln den, dünnen Schichten L mit niedrigem Brechungsindex und dünnen Schichten H mit hohem Brechungsindex aufgebaut. Die optische Dicke der Einzelschichten H und L in den Schichtenfolgen 8 und 12 beträgt ein Viertel der Designwel lenlänge λ _d. Die optischeDicke der Schicht 10 beträgt ein Viertel, vorzugsweise ein Vielfaches eines Viertels der Designwellenlänge.

Der Feuchtesensor kann kurz wie folgt beschrieben werden:

(Substrat) - erste Schichtenfolge 8 = (HL) ^k
- Abstandsschicht 10 = H ^l
- zweite Schichtenfolge 12 = (LH) ^m

worin k, l, m ganze Zahlen sind und eine k-, l- und m-fache Wiederholung der Schichtenfolge bzw. der Schichten be deuten.

Damit stellt die Mehrschichtenanordnung 6 einen Fabry-Perot-Resonator in Dünnschichttechnik dar, wo bei die erste und die zweite Schichtenanordnung 8 und 12 die Spiegel des Resonators bilden.

Vorzugsweise wird das Substrat durch eine Glasfaser gebildet, auf deren Schnittfläche die einzelnen Schichten H und L aufgedampft werden.

Die dünnen Schichten bestehen aus einem porösen, wasseraufnehmenden, jedoch wasserunempfindlichen Material, beispielsweise Oxiden, in denen Wasser reversibel einge lagert werden kann und deren Brechungsindex sich mit dem Wassergehält ändert. Solche Oxide sind an sich bekannt und haben wegen ihrer großen Härte und guten chemischen Be ständigkeit eine große Verbreitung gefunden.

So kann beispielsweise für die dünne Schicht H mit hohem Brechungsindex TiO₂ und die dünne Schicht L mit nied rigem Brechungsindex SiO₂ eingesetzt werden. Außer Glas faser eignet sich als Substrat bzw. Trägermaterial auch Glas, Keramik, Metall und Kunststoffe.

Im Idealfall geringer Absorptionsverluste und zweier Spiegel mit genau gleichen Reflexionseigenschaften erhält man für einen Fabry-Perot-Resonator für die transmittierte Intensität I _T die Beziehung

I _T = I₀ 1/(1+F sin² (δ/2))

mit F = 4R/(1-R) ² und δ = 2π2nd/λ _L+Φ

In dieser Gleichung bedeuten R das Reflexionsvermögen der Spiegel, I ₀ die eingestrahlte Intensität und λ _L die Lichtwellenlänge der verwendeten Lichtquelle. Mit δ ist die Umlauf-Phasenverschiebung bezeichnet, die außer einer Konstanten Φ, die mögliche Phasensprünge an den Spiegeln berücksichtigt, auch das Produkt aus geo metrischer Dicke d der Abstandsschicht 10 und deren Brechungsindex n enthält. Für die reflektierte Intensität I _R gilt

I _R = I₀ - I _T = F sin² (δ/2) / (1+F sin² (δ/2))

Die obigen Ausdrücke lassen sich leicht auf Spiegel unterschiedlicher Reflektivität und den Fall nichtver schwindender Absorption verallgemeinern. Das ändert aber nichts am grundsätzlichen Verhalten, welches in der Fig. 3 dargestellt ist. Die Kurve I _T/I ₀ als Funktion von δ wird oft als Airyfunktion bezeichnet. Die Transmissions maxima treten bei 2nd = i g auf, wobei i eine ganze Zahl ist. Die Halbwertbreite ist Γ = (c/4 π d) (1-R) /√.

Wählt man eine Lichtquelle, deren Wellenlänge λ _L sich von der Designwellenlänge λ _d um einen Betrag in der Größen ordnung der halben Halbwertsbreite des Transmissions maximums unterscheidet, so erhält man an der Flanke des Transmissionsmaximums eine empfindliche Umsetzung in eine Änderung der transmittierten oder reflektierten Intensität, was sich mit einem normalen Fotodetektor nachweisen läßt.

Durch Wahl der Konstanten k, l, m läßt sich die Charak teristik steuern, denn kleine k und m erhöhen die Breite des Transmissionsmaximums und ein kleines l erhöht deren Ab stand auf der Frequenzachse (den "freien Spektralbereich"). Daher ergibt sich für kleine Werte von k, l und m ein weiter Bereich von erfaßten Werten der Feuchte, allerdings mit geringer differentieller Empfindlichkeit und bei größeren Werten ein schmalerer Bereich mit großer differentieller Empfindlichkeit. Dies ist beispielsweise für die Überwachung auf Über- bzw. Unterschreitung eines Feuchtegrenzwertes interessant.

Die Fig. 2 zeigt eine Meßanordnung zur Ermittlung der Feuchte mit Hilfe des anhand der Fig. 1 beschriebenen Feuchtesensors. Licht einer Laserdiode 20 wird nach Durch laufen einer optischen Anordnung 22 auf ein Ende einer Glasfaser 24 fokussiert, an deren anderem Ende der Feuch tigkeitssensor 2 angeordnet ist. Die optische Anordnung 22 weist eine erste Linse 25 zur Erzeugung eines Parallel strahlbündels auf, das über einen Polarisationsstrahl teiler 26 und ein das einfallende Licht zirkular pola risierendes λ/4-Plättchen 28 auf eine zweite Linse 30 fällt, die das Laserlicht auf die Glasfaser fokussiert. Das vorzugsweise nach Mehrfachreflexion im Feuchtesensor 2 reflektierte Licht wird über die Glasfaser 24 zurückge führt, im λ/4-Plättchen linear polarisiert (orthogonal zum vom Laser ausgestrahlten Licht) und vom Strahlteiler 26 zu einem Fotodetektor 32 umgelenkt, dessen Ausgangssignale einem Differenzverstärker 34 zugeführt werden, der an eine Anzeige 36 angeschlossen ist.

Die Ermittlung der Feuchte geschieht dabei folgender maßen:

Durch das eingelagerte Wasser ändert sich der Brechungs index der Abstandsschicht 10. Der Brechungsindex, der somit ein Maß für die Feuchte der Umgebung ist, kann über den Reflexionsgrad oder den Transmissionsgrad der Mehrschichten anordnung 6 gemessen werden, indem die Intensität I ₀ des in die Glasfaser eingekoppelten Lichtes mit der Intensität I _R des in der Glasfaser zurückreflektierten Lichtes, beispiels weise mit Hilfe des Fotodetektors 32, gemessen wird. Der Vergleicher 34, der hier als Differenzverstärker ausgebil det ist, dient zum Einstellen des Nullpunktes und even tuell zusätzlich zur Einstellung eines Skalenfaktors für die Anzeige 36.

Vorteilhaft kann man mit zwei Wellenlängen λ _L+ und λ _L- arbeiten, von denen beispielsweise die eine λ _L+ größer und die andere λ _L- kleiner als die Designwellenlänge λ _d ist, derart, daß bei Änderung des Brechungsindex sich gegen sinnige Änderungen der Reflektivität und/oder Transmissi vität ergeben. Dadurch kann der Quotient der beiden den Wellenlängen zugeordneten Intensitäten ausgewertet werden. Dies hat den Vorteil, daß Störeinflüsse kompensiert werden.

Beispiel

Es wurden Feuchtesensoren unter Verwendung der schon erwähnten Materialien TiO₂ für die Schichten mit hohem Brechungsindex und SiO₂ mit niedrigem Brechungsindex her gestellt. Die Schichten wurden im Vakuum auf Glasplättchen und Schnittflächen verschiedener Glasfasern aufgedampft. Die Zahl der Schichten für die erste und zweite Schichten folge 8 und 12, d.h. der Wert für k und m, lag bei 2 bis 5 und für die Abstandsschicht 10 d.h. der Wert für l, bei 16. Es ergab sich ein 15%iger Poren anteil in der TiO₂-Abstandsschicht 10. Die Poren werden bei hoher Luftfeuchtigkeit und normaler Raumtemperatur etwa zu einem Viertel mit Wasser gefüllt. Die Adsorption läßt sich in sehr guter Nährung als Langmuir-Sorption be schreiben, vgl. Fig. 4, was bedeutet, daß das Wasser im wesent lichen eine monomolekulare Schicht auf der inneren Ober fläche des Materials bildet. Diese innere Oberfläche ist etwa 30mal so groß wie die äußere. Die Bindungsenergie liegt bei etwa 0,3 eV pro Molekül. Die Adsorption ist völlig rever sibel, denn auch nach Langzeittests mit Temperaturzyklen wurde keine Veränderung beobachtet. Erst bei Feuchtesensoren, die 20 Monate an Raumluft gelagert waren, fanden sich leichte Verschiebungen der Eigenschaften, die aber wiederum durch kurzes Erhitzen auf 350° für 15 Minuten rückgängig gemacht werden konnten. Selbst unter Wasser getauchte Feuchtesen soren ließen sich so regenerieren.

Die Einstellzeit, mit der die Feuchtesensoren auf Ände rungen der Luftfeuchtigkeit reagieren, ist durch die Diffusion durch das Schichtensystem bestimmt und liegt im Bereich eini ger Sekunden bis etwa einer Minute.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei größeren Glas faserlängen es erforderlich sein kann, polarisationserhaltende Fasern einzusetzen, wenn die Strahlteilung, wie anhand der Fig. 2 beschrieben, durch eine Polarisationsoptik erfolgt.

Claims

1. Feuchtesensor, gekennzeichnet durch eine interferometrische Anordnung (6), die aus mindestens einer dünnen Schicht mit wenigstens einer lichtdurchlässi gen Schicht (10) aus einem Material besteht, das einen feuchteabhängigen Brechungsindex aufweist, und mit der der Brechungsindex und damit die Feuchte über eine Messung der Reflektivität und/oder der Transmissivität bestimmbar ist.

2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die interferometrische An ordnung (6) eine zwischen zwei reflektierenden Einrich tungen (8, 12) angeordnete Abstandsschicht (10) aus einem Material umfaßt, das einen feuchteabhängigen Brechungsindex aufweist.

3. Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Anordnung (6) einen ersten Schichtenstapel (8), der wenig stens eine Doppelschicht (HL) aus einer dünnen Schicht (H) aus einem Material mit hohem Brechungsindex und einer da rauf angeordneten dünnen Schicht (L) aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex aufweist, eine auf dem ersten Schichtenstapel (8) aufgebrachte Abstandsschicht (10) aus einem Material mit hohem Brechungsindex sowie einen zwei ten, auf der Abstandsschicht (10) aufgebrachten Schichten stapel (12) umfaßt, der wenigstens eine Doppelschicht (LH) aus einer dünnen Schicht (L) aus einem Material mit nied rigem Brechungsindex und eine darauf angeordnete dünne Schicht (H) aus einem Material mit hohem Brechungsindex aufweist, wobei die einzelnen dünnen Schichten (H und L) eine optische Dicke von einer Viertel Wellenlänge des Lichtes mit der von der Wellenlänge λ _L der vorgesehenen Lichtquelle abhängigen Designwellenlänge λ _d aufweisen und die Abstands schicht (10) eine optische Dicke von einem Viertel der Designwellenlänge oder einem Vielfachen davon aufweist.

4. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die inter ferometrische Anordnung (6) auf einem Trägermaterial (4) angeordnet ist.

5. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die einzel nen Schichten (H und L) durch Aufdampfen hergestellt sind.

6. Feuchtesensor nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die interferometrische An ordnung (6) auf einer Oberfläche eines Trägermaterials (4) aus Glas, Keramik, Metall oder Kunststoff angeordnet ist.

7. Feuchtesensor nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die interferometrische An ordnung (6) auf einer Schnittfläche einer optischen Faser (4), beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, angeordnet ist.

8. Feuchtesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab standsschicht (10) und/oder die Schichten (H und L) aus einem porösen, Wasser reversibel aufnehmendem Material bestehen.

9. Feuchtesensor nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die dünnen Schichten (H) mit hohem Brechungsindex aus TiO₂ und die dünnen Schichten (L) mit niedrigem Brechungsindex aus SiO₂ bestehen.

10. Meßanordnung zur Messung der Feuchte unterVerwendung des Feuchtesensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch

- eine Lichtquelle (20) zur Erzeugung eines mono chromatischen kohärenten Lichtbündels,
- eine Einrichtung (22) zur Einkopplung des Lichtes in den Feuchtesensor (2) und
- einen Detektor (32) zur Messung der Intensität des vom Feuchtesensor (2) reflektierten oder transmittier ten Lichtes.

11. Meßanordnung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Einrichtung (22) zum Einkoppeln des Lichtes eine Linsenanordnung (25, 30) zum Einkoppeln des Lichtes in ein Ende einer optischen Glas faser (24) aufweist, an deren anderem Ende der Feuchte sensor (2) angeordnet ist, und daß ein g/4-Plättchen (28) und ein Polarisationsstrahler (26) vorgesehen sind, welcher das reflektierte Licht von dem von der Lichtquelle (20) kommenden Licht trennt und dem Detektor (32) zuführt.

12. Meßanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle Licht mit einer Wellenlänge λ _L erzeugt, das sich von der Design wellenlänge λ _d um einen Betrag in der Größenordnung der halben Halbwertsbreite des Transmissionsmaximums des Feuchtesensors (2) unterscheidet.

13. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Licht quelle (20) Licht mit zwei Wellenlängen erzeugt, von denen die eine im Bereich einer kurzwelligen Flanke und die andere im Bereich einer langwelligen Flanke eines Transmissions maximums liegt.

14. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung von Störungen der Quotient der den unter schiedlichen Wellenlängen zugeordneten, sich gegensinnig ändernden Intensitäten oder der Quotient der aus Reflexion und Transmission sich ergebenden, sich gegensinnig ändern den Intensitäten zur Messung des Brechungsindex gebildet wird.