DE3924634A1

DE3924634A1 - Sensor fuer elektrische hygrometer

Info

Publication number: DE3924634A1
Application number: DE19893924634
Authority: DE
Inventors: Otmar Greisinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-07-26
Filing date: 1989-07-26
Publication date: 1991-01-31

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für elektrische Hygrometer in Form eines feuchteabhängigen Widerstandes, vorzugsweise Ohmschen Widerstandes gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Sensoren für Hygrometer sind grundsätzlich bekannt. Die heute am Markt befindlichen Hygrometer bzw. deren Sensoren haben die unterschiedlichsten, konstruktionsbedingten Nachteile. Bisher ist jedenfalls kein Sensor bekannt, der die an einen solchen Sensor zu stellenden Forderungen in optimaler Weise verwirklicht.

Folgende, in der Praxis tatsächlich angewendeten Methoden bzw. Konstruktionen für die Messung der Feuchtigkeit sind bekannt:

1. Psychometrische Messung

Die Nachteile dieser Methode sind unter anderem, daß eine ständige Wartung erforderlich ist und die entsprechenden Meßvorrichtungen bei verhältnismäßig großen Abmessungen auch eine relativ komplizierte Auswertung erforderlich machen.

2. Kapazitive Messung

Der Nachteil dieser Meßmethode ist unter anderem, daß die Auswertung unmittelbar in der Nähe des Sensorelementes erfolgen muß. Außerdem sind diese Methode bzw. die hierbei verwendeten Sensoren empfindlich gegen äußere Einflüsse, insbesondere auch gegenüber aggressiven Medien usw. Durch Verschmutzen wird die Funktionsfähigkeit der bei dieser Methode verwendeten Sensoren oftmals stark beeinträchtigt.

3. Resistive Messung

Bei dieser Methode erfolgt die Messung der Feuchtigkeit unter Verwendung von Sensoren, die im wesentlichen aus Substraten bestehen, die mit speziellen Salzen getränkt bzw. beschichtet sind und deren Widerstandswert sich feuchteabhängig ändert. Der Nachteil hierbei ist u.a., daß derartige Sensoren hohe Innenwiderstände aufweisen, die im Megohm-Bereich oder gar Gigaohm-Bereich liegen. Die Auswertung der von derartigen Sensoren gelieferten Signale ist somit äußerst kritisch und fehlerbehaftet. Ein besonders gravierender Nachteil besteht darin, daß dann, wenn sich auf einem solchen Sensor Wasser und/oder Schmutz abscheidet, was sich beim praktischen Einsatz in der Regel nie vermeiden läßt, der Widerstandswert eines derartigen Sensors zumindest entscheidend von dem Widerstandswert der abgeschiedenen Wasser- bzw. Schmutz schicht bestimmt ist, so daß es äußerst schwierig ist, mit diesen Sensoren im praktischen Einsatz eindeutige Meßer gebnisse zu erhalten.

4. Mechanische Hygrometer

Diese Hygrometer verwenden als Sensor Haare oder Kunst stoffäden. Der Nachteil ist u.a., daß diese Hygrometer trotz einer aufwendigen und großen Konstruktion nur sehr ungenaue Meßergebnisse liefern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor für elektrische Hygrometer aufzuzeigen, der die vorgenannten Nachteile vermeidet, einfach und preiswert hergestellt werden kann und insbesondere auch eine hohe Meßgenauigkeit garantiert.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Sensor entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Schutzanspruches 1 ausgebildet.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensor, der an wenigstens einer Oberflächenseite des wenigstens einen Substrates zumindest eine Widerstandsschicht aufweist, die als feuchteabhängiger, vorzugsweise rein Ohmscher Widerstand wirkt, wird das feuchteabhängige Signal nach einer Ausführung der Erfindung dadurch erhalten, daß das Widerstandsmaterial ein hydrophiles Material ist oder zumindest eine Komponente (evtl. auch Zusatz) aus einem hydrophilen Material enthält. "Hydrophile Materialien" im Sinne der Erfindung sind dem Fachmann bekannte Materialien, die bei Anwesenheit von Feuchtigkeit aufquellen bzw. unter Volumensvergrößerung Wasser aufnehmen. Durch diese Eigenschaft des für die Widerstandsschicht verwendeten Materials ändert sich feuchteabhängig der spezifische Widerstand des Widerstandsmaterials und/oder die elektrisch wirksamen Abmessungen der Widerstandsschicht (insbesondere elektrisch wirksamer Querschnitt sowie elek trisch wirksame Länge).

Bei einer anderen Ausführungsform erfolgt die feuchteab hängige Widerstandsänderung nicht direkt durch Einwirken der Feuchtigkeit auf die Widerstandsschicht, sondern indirekt dadurch, daß das Substrat aus einem hydrophilen Material besteht und derart ausgebildet und/oder befestigt ist, bei spielsweise in einem Gehäuse oder in einem Rahmen eines Gehäuses, daß beim Einwirken von Feuchtigkeit auf das Substrat dieses deformiert wird. Für die Wider standsschicht ist in diesem Fall vorzugsweise ein Material verwendet, welches bei Biegung und/oder Dehnung und/oder Stauchung einen sich ändernden Widerstandswert aufweist. Materialien dieser Art sind dem Fachmann beispielsweise von Widerstands-Meßstreifen bekannt, die für die Messung von Kräften und/oder Biegungen usw. verwendet werden.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Sensor im Vergleich zu den bekannten, bei der resistiven Messung (Widerstandsmessung) verwendeten Sensoren sehr niederohmig ausgebildet werden kann. So sind beispielsweise Innenwiderstände für den Sensor im Bereich zwischen 1 bis 10 Kiloohm, aber auch noch kleiner, z.B. im Bereich zwischen 100 Ohm bis 1 Kiloohm möglich.

Durch Verwendung entsprechender Materialien können die Größe des Widerstandes der wenigstens eine Widerstandsschicht sowie die Kennlinie für den Sensor festgelegt bzw. so beeinfluß werden, daß diese Werte an den jeweiligen Anwendungsfall optimal angepaßt sind.

Bei entsprechend niederohmiger Ausbildung ist es sogar möglich, mit dem Sensor direkt eine Anzeigeeinrichtung anzusteuern (z.B. Zeigerinstrument oder Display), und zwar ohne Zwischenschaltung weiterer elektrischer und/oder mechanischer Komponenten.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit und/oder zur Eliminierung von äußeren Einflußgrößen (beispielsweise Temperatur) kann es zweckmäßig sein, auf dem wenigstens einen Substrat zumindest zwei Widerstandsschichten bzw. Bereiche vorzusehen, die dann eine Meßbrücke oder zumindest einen Teil einer solchen Meßbrücke bilden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung und in Draufsicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors;

Fig. 2 in vereinfachter schematischer Darstellung einen Schnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 1.

Der in den Figuren dargestellte Sensor 1 entspricht hin sichtlich seiner elektrischen Charakteristik einem feuchtig keitsabhängigen Ohmschen Widerstand und ist insbesondere für die Verwendung in einem elektrischen Hygrometer bestimmt. Der Sensor 1 besteht aus einem starren Rahmen 2, der beispiels weise aus Keramik, Kunststoff oder einem anderen, geeigneten Material hergestellt ist, welches bei ausreichender Festig keit insbesondere auf eine geringe Temperaturabhängigkeit, d.h. einen geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. Der Rahmen 2 ist bei der dargestellten Ausführungs form rechteckförmig und einstückig aus vier aneinander anschließenden Rahmenlängen gebildet.

An der einen Seite des Rahmens 2, d.h. bei der für die Figuren gewählten Darstellung an der Oberseite dieses Rahmens ist ein Substrat 3, welches einen rechteckförmigen Zuschnitt aufweist und aus einem Flachmaterial äußerst geringer Dicke D besteht, im Bereich seiner Umfangsseiten beispielsweise durch Kleben oder auf andere geeignete Weise befestigt, und zwar beispielsweise im Bereich zweier einander gegenüberliegender Umfangsseiten an zwei einander gegenüberliegenden Längen des Rahmens 2. Grundsätzlich ist es auch möglich, das Substrat 3 an mehr als zwei Umfangsseiten, d.h. beispielsweise an seinem gesamten Umfang am Rahmen 2 zu befestigen.

Das Substrat 3, dessen Dicke D beispielsweise in der Größen ordnung von 3 µ liegt, besteht aus einem dünnen hydrophilen Material, beispielsweise aus einem dünnen hydrophilen Kunststoffmaterial oder einem Zuschnitt einer entsprechenden hydrophilen Kunststoffolie. Unter "hydrophilem Material" ist dabei ein Material zu verstehen, welches aus der Umgebungs luft Feuchtigkeit, d.h. Wasser aufnehmen kann, und zwar mit der Folge einer Volumensvergrößerung. Bekannt sind bei spielsweise hydrophile Kunststoffolien, die bis zu 15% Wasser aufnehmen können, und zwar bezogen auf das Gewicht des Kunststoffmaterials.

Auf die dem Rahmen 2 abgewendete Oberseite des Substrates 3 ist eine Widerstandsbahn aus einem geeigneten Widerstands material aufgebracht, und zwar als Dickschicht-Widerstand mit üblichen Techniken, beispielsweise mit der bei der Her stellung von Dickschicht-Widerständen bekannten Siebdruck technik. Die Widerstandsbahn 4 erstreckt sich wellen- bzw. meanderartig dazu über die gesamte Fläche der Oberseite des Substrates 3. An den beiden Enden ist die Widerstandsbahn 4 mit Anschlußkontakten 5 versehen die sich jeweils über einer Länge des Rahmens 2 befinden an welcher (Länge) das Substrat 3 befestigt ist.

Durch ein mit seinem Rand am Rahmen 2 befestigtes napfartiges Gehäuse 6 ist die die Widerstandsbahn 4 aufweisende Seite des Substrates 3 zur Umgebung hin abgedeckt. Am Gehäuse 6 befinden sich zwei Anschlüsse 7, von denen jeder über ein elektrisches Verbindungselement 8 mit einem Kontakt 5 verbunden ist.

Die Widerstandsbahn 4 besteht aus einem Material, welches bei einer Biegung, Dehnung und/oder Stauchung der Widerstandsbahn 4 bzw. deren Längen zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes führt. Derartige Materialien sind dem Fachmann bekannt und werden z.B. für Druck- oder Dehnungsmeßgebern usw. verwendet. Aufgrund des Gehäuses 6 wirkt Umgebungs feuchtigkeit primär auf die freiliegende Unterseite des Substrates 3 ein, so daß mit steigender Luftfeuchtigkeit sich das Substrat 3 entsprechend der Linie 3′ zunehmend nach unten verwölbt, und zwar aufgrund der Volumensvergrößerung der Bereiche des Substrates 3 an der freiliegenden Unterseite. Diese Verwölbung des Substrates 3 führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstandes der Widerstandsschicht 4. Diese Änderung kann dann als von der Luftfeuchtigkeit abhängiger Meßwert in dem elektrischen Hygrometer ausgewertet und angezeigt werden.

Bei dem vorbeschriebenen Beispiel wurde davon ausgegangen, daß die Widerstandsänderung der Widerstandsbahn 4 durch Verformung des Substrates 3 erzeugt wird. Entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist es auch möglich, für das Substrat 3 ein Material zu verwenden, auf welches Feuchtigkeit keinen oder im wesentlichen keinen Einfluß hat, wobei dann für die Widerstandsbahn 4 ein hydrophiles Wider standsmaterial oder ein Widerstandsmaterial mit zumindest einer hydrophilen Komponente verwendet ist, so daß sich die Widerstandsbahn 4 hinsichtlich des effektiven elektrischen Querschnitts und/oder hinsichtlich ihrer effektiven elek trischen Länge in Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchtigkeit verändert und dadurch eine Änderung des Widerstandswertes bewirkt. Auch in diesem Fall ist durch eine möglichst geringe Masse der Widerstandsbahn 4 dafür gesorgt, daß der Sensor 1 eine geringe Trägheit aufweist, d.h. möglichst schnell auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit anspricht.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die beiden vorgenannten Ausführungen zu kombinieren, d.h. sowohl für das Substrat 3 als auch für die Widerstandsbahn 4 jeweils ein hydrophiles Material zu verwenden.

Vorstehend wurde davon ausgegangen, daß der Sensor 1 nur eine einzige, einen einzigen elektrischen, Ohmschen Widerstand bildenden Widerstandsbahn 4 aufweist. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere derartige Widerstandsbahnen an dem jeweiligen Substrat vorzusehen, die dann beispielsweise eine Brückenschaltung oder Zweige einer solchen Brückenschaltung bilden, wobei diese Widerstandsbahnen so angeordnet sind, daß nur ein Teil dieser Widerstandsbahnen, vorzugsweise nur eine Widerstandsbahn auf die jeweils vorhandene Luftfeuchtigkeit bzw. deren Änderung anspricht, während die anderen Wider standsbahnen lediglich der Kompensation von Temperaturein flüssen usw. dienen.

Da die wenigstens eine Widerstandsbahn auf dem Substrat jeweils mit bekannten, bei der Herstellung von Dickschicht- Widerständen verwendeten Techniken erzeugt werden kann, ist für den Sensor 1 auch eine niederohmige Ausführung bei spielsweise in der Größenordnung von 100 bis 1000 Ohm mit geringen Toleranzen möglich.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Ab wandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims

1. Sensor für elektrische Hygrometer, bestehend aus wenigstens einem Träger oder Substrat und wenigstens einer auf diesen Träger aufgebrachten, feuchteabhängigen elektrischen Widerstandsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) und/oder die Widerstandsschicht (4) zumindest teilweise aus einem hydrophilen Material bestehen, welches durch Aufnahme von Wasser zumindest eine partielle Anderung der elektrisch wirksamen Dichte und/oder Abmessungen der Widerstandsschicht (4) und dadurch den feuchteabhängigen Widerstand der wenigstens einen Widerstandsschicht (4) bewirkt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Widerstandsschicht in Form wenigstens einer Widerstandsbahn, vorzugsweise in Form einer wellen förmigen oder meanderförmigen Widerstandsbahn (4) auf das Substrat (3) aufgebracht ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (8) dünnwandig ausgebildet und im Bereich seines Umfangs an einem Rahmen (2) befestigt ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat (3) von einer Kunststoffolie gebildet ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn zeichnet, daß die wenigstens eine Widerstandsschicht (4) in einem Siebdruckverfahren auf das Substrat (3) aufge bracht ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat (3) aus hydrophilem Material besteht und die wenigstens eine Widerstandsschicht (4) von einem Widerstandsmaterial gebildet ist, welches bei Biegung, Dehnung und/oder Stauchung eine Änderung des Widerstandswertes bewirkt.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn zeichnet, daß die mit der wenigstens einen Widerstands schicht (4) versehenen Seite des Substrates (3) abgedeckt ist, und zwar vorzugsweise durch eine Schutzschicht und/oder Gehäuse (6).

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat (3) aus einem nichthydrophilen Material und die wenigstens eine Widerstandsschicht (4) aus hydrophilem Material besteht.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn zeichnet, daß sowohl das Substrat (3) als auch die wenigstens eine Widerstandsschicht (4) aus hydrophilem Material bestehen.