-
Meßvorrichtung zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen
Die Kenntnis des Feuchtigkeitsgehaltes von Gasen ist in vielen technischen Fällen
von außerordentlich großer Bedeutung, insbesondere zur Ermittlung und Aufrechterhaltung
der günstigsten Lagerbedingungen von Lebensmitteln, in Klimaanlagen, Trocken-: magen,
in der medizinischen Technik u., dgl.
-
Den bekannten Meßgeräten zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes
von Gasen haften so große Nachteile an, daß ihre Anwendbarkeit stark beschränkt
ist.
-
Es sind bereits Feuchtigkeitsmeßgeräte bekannt, denen der mit der
Feuchtigkeit veränderliche elektrische Widerstand oder die Dielektrizitätskonstante
geeigneter Stoffe als Meßgröße zugrunde liegt, Diese Meßgeräte bestehen im wesentlichen
aus zwei Elektroden mit dem zwischengelagerten feuchtigkeitsempfindlichen Stoff
als elektrischer RiViderstand bzw. als Dielektrikum. Hierbei sind die Elektroden
netz- oder gitterförmig ausgebildet. Die daraus sich ergeben den Nachteile sind
folgender Art: Je nach Ausführung der Netz- bzw. Gitterfonn der Elektroden ist ein
mehr oder weniger großer Teil der Oberfläche des feuchtigkeitsempfindlichen Stoffes
von den Elektroden bedeckt bzw. frei. Da die Elektroden dem umgebenden Gas und damit
dessen Feuchtigkeit den Zutritt zum feuchtigkeitsempfindlichen Stoff nicht gestatten.
so wird die Herstellung des Feuchtigkeitsgleichgewichts zwischen Gas und Stoff sehr
stark verzögert, da sich die Feuchtigkeit im Stoff nur langsam nach jenen Stell-en
ausbreiten kann. die von den Elektroden bedeckt sind. Die durch hedingte Trägheizt
der Anzeige könnte nur in geringem Maße verringert werden. wenn die Elektroden nur
einen kleinen Teil der Oberfläche bedecken, was wiederum eine erhebliche Ah
nahme
der Empfindlichkeit zur Folge hätte.
-
Ganz abgesehen davon, daß die verhältnismäßig dicken Schichten des
Dielektrikums allein schon eine große Trägheit des Meßgerätes bewirken. Es schließen
sich demnach große Empfindlichkeit und Trägheitslosigkeit gegenseitig aus. werden
die Elektroden streifenförmig aufgelegt. so daß die Feuchtiglieit an den zwl schen
den einzelnen Streifen frei gelassenen Stellen zum feuchtigkeitsempfind ichen Stoff
Zutritt hat, so ist es unmöglicll. die Elektroden mit dem feuchtigkeitsempfindlichen
Stoff in einen derart dauerhaften und innigen Kontakt zu bringen, daß reproduzierbare,
Änderungen des Übergangswiderstandes mit Sicherheit erzielt werden können. Dies
dürfte besonders leicht bei den hierbei verwendeten Stoffen. wie Flanell und Asbest,
eintreten. da sie ihre mechanischen Eigenschaften durch die Feuchtigkeitsaufnahme
ändern. Eine fehlerhafte Anzeige des Gerätes ist daher die unausbleilbliche Folge.
-
Neben diesen Nachteilen, die die Geräte bei der raschen und genauen
Anzeige des Feuchtiglceitsgehaltes voll Gasen unbrauchbar machen, liegt ein weiterer
Mangel in der Beschränkung dieser Geräte auf einige wenige Ausführungsformen. Es
war bisher überhaupt lein Feuchtigkeitsmeßgerät bekannt, dessen Form sich zwanglos
jedem möglichen Meßfall anpassen ließ.
-
Alle diese Nachteile sind bei dem Gerät nach der vorliegenden Erfindung
vermieden.
-
Sie wurden durch die Verwendung von aus dünnen elektrisch leitenden
Schichten bestehenden Elektroden beseitigt, die auf die dünne Schicht des feuchtigkeitsempfindlichen
Stoffes aufgebracht werden, derart. daß sie infolge Porosität oder Diffusion feuchtigkeitsdurchlässig
bleiben. Damit ist größte Empfindlichkeit bei gleichzeitig geringster Trägheit erreicht,
da die Feuchtigkeit über die ganze Oberfläche des feuchtigkeitsempfindlichen Stoffes
zu diesem Zutritt hat. Beispielsweise durch Aufdampfen oder Aufspritzen lassen sich
die Elektroden an ihrem endgültigen Platz erzeugen, wodurch ein vollkommen einwandfreies
Haften und ein dauerhafter, unveränderlicher Kontakt mit der feuchtigkeitsempfindlichen
Unterlage gesichert ist.
-
Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Meßelementes eines solchen
Meßgerätes. Es besteht aus einer dünnen Platte I des feuchtigkeitsempfindlichen
Stoffes, auf deren beiden Seiten dünne. elektrisch leitende Schichten 2 und 3 als
Elektroden aufgebracht sind, die jeweils mit einem der beiden Stromleiter 4 und
5 in elektrisch leitender Verbindung stehen.
-
Diese beiden Stromleiter führen zu einem elektrischen Anzeigegerät.
Wegen der geringen Stärke der beiden Schichten 2 und 3 kann die Feuchtigkeit leicht
durch sie hindurchtreten, so daß sich rasch ein Feuchtigkeitsgleichgewicht zwischen
Stoff 1 und dem ihn umgebenden Gas einstellt. Ändert sich die Feuchtigkeit des umgebenden
Gases, so nimmt der Stoff I aus diesem Feuchtigkeit auf bzw. er gibt von seinem
Feu chtigkeitsgehalt an dieses ab, bis ein neuer Gleichgweichtszustand erreicht
ist. Hierbei ändert sich der zwischen den Schichten 2 und 3 fließende Strom bzw.
die Kapazität des aus den beiden Elektroden 2 und 3 als Ladungsträger gebildeten
Kondensators mit dem Stoff I als Dielektrikum, was am Anzeigegerät beobachtet wird.
-
Im Bedarfsfalle können die Schichten 2 und 3 auch unterteilt werden,
um der Feuchtigkeit einen leichteren Übergang zu ermöglichen. Die Wirkungsweise
des Meßelementes bleibt dieselbe, wenn der feuchtigkeitsempfindliche Stoff als Schicht
auf einer elektrisch leitenden Unterlage liegt und auf diese feuchtigkeitsempfindliche
Schicht eine wie zuvor erwähnte dünne, elektrisch leitende Schicht als Elektrode
aufgebracht wird, während die Unterlage als zweite Elektrode dient. Der Übergang
der Feuchtigkeit kann jetzt nur an der einen Seite stattfinden.
-
Die Abb. 2 und 3 zeigen Anordnungen, wie sie beispielsweise zur Feuchtigkeitsmessung
all Oberflächen von Körpern oder Wänden oder in deren unmittelbarer Nähe dienen
können. Das Meßelement nach Abb. I ist hierbei -an der Oberfläche der Wand 6 angeordnet.
wobei die beiden Stromleiter durch den Körper tzw. die Wand oder durch das angrenzende
Gas zum Anzeigegerät geführt werden.
-
Tn manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, das Meßelement wie nach
Abb. 3 auf einem Trägerstopfen7 anzuordnen, der sich leicht an der Meßstelle in
die Wand einbauen läßt.
-
Ist die Wand 6 oder der Trägerstopfen 7 selbst ein elektrischer Leiter,
so kann die der Wand zugekehrte Elektrode weggelassen werden, da dann die Wand oder
der Trägerstopfen deren Aufgabe übernehmen kann.
-
Soll der Feuchtigkeitsgehalt vor einer Oberfläche gemessen werden,
so läßt sich in Abb. 2 und 3 das Meßelement auch in einem belichigen Abstand vor
ihr anordnen.
-
Abb. 4 zeigt eine Bauart des Meßelementes. wie es beispielsweise
zur Messung der Freuchtigkeit in kleinen Hohlräumen, etwa zwischen Stapelgütern,
in Faserstoffen oder Geweben. benutzt werden kann. Auf einem elektrisch leitenden
Draht oder Band S ist die feuchtigkeitsempfindliche Schicht 9 angeordnet. auf der
die sehr dünne, elektrisch leitende Schicht 10 liegt. Diese Schicht 10 stellt die
eine Elektrode dar und ist mit einem Stromleiter 1 1 versehen. Der Draht oder das
Band 8 dient
sowohl als zweite Elektrode wie auch als Stromleiter.
-
Nach Abb. 5 sind beiderseits auf einem kreisförmigen Blech 12 aus
Aluminium oder einer seiner Legierungen Oxydscbichten 13 und I4 in bekannter Weise
erzeugt, die die feuchtigkeitsempfindlichen Schichten bilden.
-
Die Stärke einer solchen Oxydschicht liegt in der Größenordnung von
tlloOo bis 1/10 mm. Auf diese Oxydschichten wurden hauchdünne Goldschichten I5 und
I6 im Hochvakuum aufgedampft oder auf eine beliebige andere Weise aufgebracht. Diese
Anordnung ist in einem metallischen Gehäuse 17 zwischen den beiden Bleiringen 18
und Ig durch den metallischen Ring 20 festgeklemmt. Da die beiden Goldschichten
I5-und I6 mit dem Gehäuse 17 in elektrisch leitender Verbindung stehen, so stellen
sie zusammen die eine Elektrode dar, während das Blech 12 als zweite Elektrode dient.
Der eine der beiden Stromleiter 21 ist daher im Gehäuse 17 angebracht, der zweite
Stromleiter 22 am Blech 12. Bei der hier verwendeten Aluminiumoxydschicht als feuchtigkeitsempfindlichen
Stoff ist es gleichgültig, ob die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit oder der
- Dielektrizitätskonstanten dieser Schicht durch die Feuchtigkeit zur Messung benutzt
wird, da bei diesem Stoff sich beide physikalischen Eigenschaften mit der Feuch-@gkeit
ändern.
-
Die Messung der Feuchtigkeit läuft daher auf eine Messung des elektrischen
Widerstandes oder auf eine Messung der Kapazität hinaus. Beide Messungen lassen
sich mit den be kannten elektrotechnischen Verfahren beilebig genau durchführen.
-
Andern sich, wie beispielsweisle bei der erwähnten Aluminiumoxydschicht,
beide Eigenschaften, so kann auch eine Messung des Verlustwinkels des als Kondensator
betrachteten Meßelements zweckmäßig sein.
-
Die Erfindung beschränkt sich aber keineswegs auf Aluminiumoxyd als
feuchtigkeitsempfindlichen Stoff, sondern sie umfaßt alle möglichen Stoffe, deren
elektrische Leitfähigkeit oder Dielektrizitätskonstante sich mit dem Feuchtigkeitsgehalt
des umgebenden Gases genügend stark verändert, um eine genaue und empfindliche Feuchtigkeitsmessung
zu ermöglichen.
-
Da die Elektroden erst an Ort und Stelle erzeugt werden, sind die
Gestaltungsmöglichkeiten für das Meßgerät unbeschränkt; es lassen sich daher selbst
Meßgeräte von der Größe eines Stecknadelkopfes, wie sie bei spielsweise bei der
Lagerung von Lebensmitteln und Früchten verlangt werden, wie auch iede beliebige
andere Form in der einfachsten Weise herstellen. Gerade hierin liegt einer der größten
Vorteile der Meßvorrichtung nach der Erfindung, weil sie in vielen Fällen überhaupt
erst- eine Messung der Feuchtigkeit erlaubt. Die Messung der Feuchtigkeit an Oberflächen
ist ohne Schwierigkeit möglich. Da bei der Verwendung aufgedampfter Schichten als
Elektroden die gesamte Stärke des Meßelementes praktisch allein durch die Dicke
der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht bestimmt ist und da aufgedampfte und in ähnlicher
Weise hergestellte Schichten im allgemeinen nur eine Stärke von t/10000 bis 1/1000
mm aufweisen, kann die Stärke des Meßelementes bis auf V10 rilin oder weniger herabgesetzt
werden.
-
Liegt der feuchtigkeitsempfindliche Stoff als möglichst dünne Schicht
vor, was nach dem zuvor Gesagten stets von Vorteil ist, so würde bei aufgelegten
Elektroden sich niemals eine vollkommene Berührung mit der Unterlage herbeiführen
lassen, sondern es würden zwlschen Elektroden und Schicht stellenweise Gasschichten
liegen, deren Stärke selbst in der Größenordnung derjenigen der feuchtigkeitsempfindlichen
Schicht ist. Dies würde eine Verringerung der wirksamen Fläche bedeuten.
-
Aufgedampfte oder in ähnlicher Weise aufgebrachte Schichten stehen
aber in vollkommener Berührung mit der Unterlage. Es werden deshalb sowohl zwischengelagerte
Gasschichten als auch die nicht definierbaren Änderungen des Übergangswiderstandes
sicher vermieden.
-
Die Meßvorrichtung nach der Erfindung besitzt noch folgende weitere
Vorteile. Da keine Bewegung des feuchten Gases notwendig ist, kann der örtliche
Feuchtigkeitsgehalt an der Meßstelle gemessen werden. Es ist daher möglich, die
räumliche Feuchtigkeitsverteilung (das Feuchtigkeitsfeld) zu bestimmen.
-
Da die Abmessungen des Meßelementes sehr klein sein können, kann man
bis in die Grenzschicht zwischen einem feuchten Körper und dem umgebenden Gas vordringen
oder auch in enge Spalte eindringen.
-
Da das Meßelement eine äußerst geringe Masse hat und eine künstliche
Befeuchtung von Teilen des Meßgerätes (wie beim Psychrometer) wegfällt, wird auch
in kleinsten Räumen die Feuchtigkeit des zu untersuchenden Gases durch die Messung
nicht beeinflußt.
-
Die Empfindlichkeit, des Meßgerätes ist überraschend groß. Da außerdem
seine Tätigkeit, gering ist, werden auch zeitlich Änderungen der Feuchtigkeit rasch
angezeigt.
-
Wie Versuche ergeben haben, läßt sich mit Hilfe dieses Gerätes auch
die Feuchtigkeitsverteilung an der Oberfläche des rnenschlichen, tierischen oder
pflanzlichen Organismus in einfacher Weise feststellen, weshalb das Meßverfahren
auch in der Medizin und Biologie Anwendung finden kann.
-
Das Meßgerät ist billiger als die bisherigen.
-
Versuche haben bestätigt, daß dieses Gerät auch bei Temperaturen
unter Null Grad auf Feuchtigkeitsänderungen des umgebenden Gases sehr empfindlich
ist im Gegensatz zu allen bisherigen Geräten.