DE880505C

DE880505C - Feuchtigkeitsmesser

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Publication number: DE880505C
Application number: DEV3359A
Authority: DE
Original assignee: JUR ALOIS VOGT DR
Current assignee: JUR ALOIS VOGT DR
Priority date: 1950-05-17
Filing date: 1951-05-10
Publication date: 1953-06-22
Also published as: CH292446A; GB704552A; US2715667A; FR1037117A; NL92243C

Description

Zur Messung des Dampfgehaltes, insbesondere des Wasserdampfgehaltes in gasförmigen Medien, werden verschiedene Meßverfahren benutzt.

Um exakte wissenschaftliche Meßergebnisse zu erhalten, benutzt man das Taupunkthygrometer, das Absorptionshygrometer oder das Psychrometer.

Für technische Kontrollmessungen haben sich die erwähnten Meßgeräte wegen der Schwierigkeit ίο ihrer Handhabung nicht einführen können. An ihrer Stelle werden Instrumente benutzt, deren Meßgenauigkeit zwar klein ist, die aber eine schnellere Ablesemöglichkeit erlauben. Solche Instrumente sind das Haarhygrometer sowie nach der Diffusionsmethode arbeitende Geräte, neuerdings auch Geräte, welche die von der Feuchtigkeit beeinflußte elektrische Leitfähigkeit von Elektrolyten zur Messung heranziehen, wobei die Elektrolyte in organische Folien, beispielsweise Gelatine, eingebettet sind.

Aber auch diese bis heute bekannten technischen Feuchtigkeitsmesser weisen den Nachteil auf, daß sie eine zu lange Einstellzeit besitzen. Bis zur Einstellung des Beharrungszustandes vergeht dabei eine Zeit, daß beispielsweise eine Regelung, die den Istzustand benutzt, um einen bestimmten Sollzustand herzustellen, zu träge arbeitet. Finden die Messungen in der Atmosphäre zu meteorologischen Zwecken statt, so trifft infolge der dargestellten zeitlichen Verzögerung das Ergebnis der Nach-

messung des Feuchtigkeitsgehaltes zu spät ein, um mit den schneller eintreffenden meteorologischen Meldungen zu einer völlig zutreffenden, alle gleichzeitigen Faktoren richtig berücksichtigenden Gesamtmeldung verarbeitet werden zu können. Das kann beispielsweise bei der Zusammenstellung artilleristischer Daten zu völlig falschen Ergebniesen führen und verhängnisvoll werden.

Auch bei der Messung der Luftfeuchtigkeit mittels Radiosonden benutzt man praktisch ausschließlich Geräte, die auf der Messung der elektrischen Leitfähigkeit beruhen. Hier wirkt die Trägheit der Einstellung der notwendigerweise dicken Trägerschichten des Elektrolyts auf die herrschende relative Luftfeuchtigkeit deshalb nachteilig, weil beim raschen Aufsteigen der Radiosonde eine Phasenverschiebung zwischen den Meßwerten für die Temperaturen und die Feuchtigkeit, also ein Vorgang entsteht, der die genaue Wetterbestimmung außerordentlich erschwert und zum Teil verunmöglicht. Schließlich zeigen Instrumente, wie das Haarhygrometer, und solche, die die Leitfähigkeit von Elektrolyten erfassen, starke Hysteresiserscheinungen, die das Meßresultat beträchtlich fälschen.

Es war bereits oben darauf hingewiesen worden, daß man als Feuchtigkeitsfühler bereits organische Folien, beispielsweise aus Gelatine, benutzt hat, in die Elektrolyte eingebettet sind. Um die Empfindlichkeit derartiger Feuchtigkeitsmesser zu erhöhen, ist auch schon vorgeschlagen worden, diese Gelatineschichten äußerst dünn, etwa mit einer Dicke von 5 · io~~³ mm, auszuführen. Dadurch sind jedoch die grundsätzlichen Nachteile organischer Träger für den Elektrolyt nicht zu beseitigen, die vor allem in der mangelnden Haltbarkeit und in der Hygroskopizität des Trägers des Elektrolyts bestehen. Diese Nachteile sind auch dann vorhanden, wenn nach weiteren Vorschlägen Metall-Oxyde zur Anwendung kommen sollen. Die oxydische Stoffgruppe ist bekanntlich in Wasser unlöslich. Findet zwischen Oxyden und Wasser eine Reaktion statt, dann verläuft sie stets so, daß Zersetzungen der Oxyde und Umwandlungen in Hydroxyde auftreten, womit chemisch neue Stoffe entstehen. Vor allem fehlt bei den Temperaturen, bei denen die Feuchtigkeitsmesser arbeiten müssen, die Unbedingt zu fordernde Reversibilität des zu messenden Vorgangs. Schließlich ist auch bereits die Verwendung von Berylliumfluorid bekanntgeworden. Berylliumfluorid ist aber mit Wasser in jedem Verhältnis löslich, d'. h. die Löslichkeit ist unbegrenzt gut. Das bedeutet, daß ein dünner Film infolge seiner Hygroskopizität sehr bald seine feste Form verliert und daß er damit zum flüssigen Elektrolyt wird. Damit wird wiederum die Reversibilität der Anzeige beseitigt.

Demgegenüber kennzeichnen sich erfindungsgemäß ausgebildete Feuchtigkeitsmesser mit Be-Stimmung der elektrischen Leitfähigkeit von als Feuchtigkeitsfühlern wirksamen, zwischen Elektroden eines Meßkreises vorgesehenen Stoffen dadurch, daß der Feuchtigkeitsfühler aus anorganischen, in Wasser schwerlöslichen Stoffen besteht bzw. sie enthält. Als schwerlöslich im Sinne der Erfindung sind dabei in Übereinstimmung mit den Angaben der einschlägigen Literatur Stoffe mit einer Löslichkeit von 10— ¹ bis 10—⁴ g/l Wasser bei Zimmertemperatur zu verstehen.

Während bekannte Präzisionshygrometer bisher mit einer Einstellzeit von mindestens 30 Sekunden arbeiteten, gelingt es durch die angegebenen Maßnahmen, die Einstellzeit auf ein Dreißigstel und darunter zu vermindern. Diese Vorteile treten besonders dann auf, wenn die Dicke des Feuchtigkeitsfühlers weniger als 10—², etwa io~³ mm beträgt.

Um weiterhin zu erreichen, daß die Gesamtoberfläche der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht ohne jede Beeinträchtigung durch das Elektrodensystem mit dem Partialdruck des Wasserdampfes der umgebenden Atmosphäre reagieren kann und daß der Querwiderstand von der Oberfläche der Schicht bis zu den Elektroden klein wird, werden in weiterer Durchführung des Erfindungsgedankens die den Feuchtigkeitsfühler bildenden Stoffe nicht nur zwischen den Elektroden, sondern mindestens teilweise auch auf zum Elektrodenträger abgewandt liegenden Begrenzungsflächen der Elektroden in dünner Schicht angeordnet. Das .wirkt sich dahin go aus, daß eine Änderung der Dicke der Schicht praktisch ohne jeden Einfluß auf den Gesamtwiderstand der Anordnung ist, d. h. daß der eigentliche und durch die Messung zu erfassende Widerstand des Systems bedingt ist durch den Widerstand, der in der Isolationsbrücke zwischen den beiden Elektroden besteht. Dabei wird naturgemäß dieser Elektrodenabstand möglichst klein gewählt. Er soll mindestens 1 · io^—1, durchweg 1 · io~³ mm betragen; im allgemeinen kommt man mit einer Isolationsbreite von 1 · io~²mm aus.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt Fig. ι eine erste Ausführungsform des Hygrometers in Draufsicht,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform,

Fig. 3 schematisch einen Querschnitt durch das Hygrometer;

Fig. 4 veranschaulicht die Eichkurve eines Hygrometers nach den Fig. 1 bis 3 als Funktion des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit.

Ein beispielsweise plattenförmiger Träger 10 aus elektrisch isolierendem Material, der vorzugsweise aus Glas, Quarzglas oder Glimmer besteht, ist mit zwei schichtförmigen Elektroden 11 und 12 bedeckt, die durch einen verhältnismäßig schmalen Spalt 13 voneinander getrennt sind. Die Elektroden 11 und 12 bestehen aus elektrolytisch nicht angreifbaren Metallen, insbesondere aus Edelmetallen. Eine als Feuchtigkeitsfühler dienende Schicht 14 ist in einer Dicke von weniger als 1 · io~² mm, etwa mit einer Dicke von 1 ■ ro~^s mm auf den im Spalt 13 zwischen den Elektroden frei liegenden Träger 10 und teilweise auch auf die Elektroden-

schichten aufgetragen, wie es in starker Vergrößerung und schematisch in Fig. 3 ersichtlich ist. Diese Schicht besteht erfindungsgemäß aus anorganischen, in Wasser schwerlöslichen Stoffen. Schicht 14 kann z. B. durch Aufdampfen im Hochvakuum erzeugt sein, und ihre Stärke wird im allgemeinen nicht mehr als einige Lichtwellenlängen betragen. Die der Dicke der Schicht entsprechende Dimension der im Spalt 13 vorhandenen Schicht 14 steht dabei senkrecht zur Schichtebene der Elektroden 11 und 12.

Die als Feuchtigkeitsfühler dienende Schicht 14 hat die Erforderung zu erfüllen, daß sie im physikalischen Sinne nicht hygroskopisch ist und auch bei hohen Feuchtigkeitsgehalten der sie umgebenden gasförmigen Atmosphäre nicht zerfließt. Sie muß daher in W^rasser schwerlöslich oder unlöslich sein. Weiter muß zwischen der an der Schicht 14 absorbierten Wasserhaut und der in der Atmosphäre vorhandenen Feuchtigkeit ein jeweils dem Grad der Feuchtigkeit entsprechendes Gleichgewicht vorhanden sein.

Die Zahl der dieses Verhalten zeigenden Stoffe

ist verhältnismäßig sehr klein. In weiterer Durchführung der Erfindung wurde an Hand zahlreicher Versuche und Erprobungen festgestellt, daß unter den anorganischen, in Wasser schwerlöslichen Stoffen besonders schwerlösliche Fluoride, vor allem wasserunlösliche Metallfluoride, entweder in der Form einer Verbindung, wie Magnesiumfluorid oder Aluminiumfluorid, oder auch in der Form von Komplexen von Metallfluoriden, wie

z. B. Kryolith, deshalb in Betracht kommen, weil sie sämtliche der vorgenannten Bedingungen erfüllen.

Die Elektroden 11 und 12 sind derart ausgebildet, daß der zwischen ihnen liegende, als Feuchtigkeitsfühler dienende Stoff einen möglichst kleinen elektrischen Widerstand bildet. Zu diesem Zweck ist der zwischen den Elektrodenschichten 11 und 12 vorhandene Spalt 13 möglichst schmal und zur Erzielung möglichst großer, einander gegenüberliegender Elektrodenflächen längs der Oberfläche des Trägers 10 gewunden. Gemäß Fig. 1 ist der Spalt 13 deshalb doppelspiralförmig oder gemäß Fig. 2 schlangen- bzw. mäanderförmig angeordnet, wobei selbstverständlich auch abweichende Formen anwendbar sein können.

Die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand der zwischen den Elektroden 11 und 12 durch die Schicht 14 gebildeten Brücke ist in starkem Maße von der Feuchtigkeit der an die Schicht 14 angrenzenden Atmosphäre abhängig, da durch Erfüllung der genannten Bedingung die auf der Schicht absorbierte Wasserhaut jeweils in einem bestimmten Zusammenhang mit der Atmosphärenfeuchtigkeit steht. Infolge der geringen Dicke der Schicht 14 ist die elektrische Widerstandsänderung derselben nur unwesentlich gegenüber der Feuchtigkeitsänderung verzögert. Praktische Versuche haben gezeigt, daß die zur Erreichung des Endwertes des elektrischen Widerstandes l>ei gegebener Feuchtigkeit erforderliche Zeit ι Sekunde in keinem Fall überschreitet und bei günstiger Ausbildung des Feuchtigkeitsmessers sogar nur Bruchteile derselben beträgt.

Die Änderung des elektrischen Widerstandes, ausgehend von einer relativen Feuchtigkeit Null bis zu einer relativen Feuchtigkeit von 100%, erfolgt bei einem ausgeführten Feuchtigkeitsmesser der beschriebenen Art über 5 Zehnerpotenzen. Die entsprechende Eichkurve ist in Fig. 4 gezeigt, welche den Verlauf des elektrischen Widerstandes 7? in Abhängigkeit von der relativen Atmosphärenfeuchtigkeit F veranschaulicht. Die Charakteristik ist bei linearer Feuchtigkeits- und logarithmischer Leitfähigkeitsskala praktisch eine lineare Funktion, weshalb es außerordentlich leicht ist, die Eichung bei einem Feuchtigkeitsbereich von ο bis 100% relativer Feuchtigkeit durch Festlegung von einigen Meßpunkten vorzunehmen, womit eine Möglichkeit entsteht, die erst bei erfindungsgemäß durchgeführter Ausbildung des Feuchtigkeitsmessers in einfacher Weise erreichbar ist.

Die Reproduzierbarkeit der Messung selbst ist beliebig gut, so daß es z. B. ohne weiteres möglich ist, relative Feuchtigkeiten mit einer Einstellzeit von weniger als 1 Sekunde auf Vioo°/o genau zu ermitteln. Die Messungen sind mindestens um 2 Zehnerpotenzen genauer als bei allen bisher be- go kannten Feuchtigkeitsmessern. Der durch den Feuchtigkeitsmesser fließende Meßstrom kann infolge der beschriebenen günstigen Elektrodenanordnung mit Leichtigkeit so groß gehalten werden, daß zur Messung höherer Feuchtigkeitsgehalte Milliamperemeter bzw. Mikroamperemeter ausreichen. Die Elektroden 11 und 12 des Feuchtigkeitsmessers liegen zweckmäßig in einem Zweig einer Wheatstoneschen Brücke. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Messung elektronisch vorzunehmen, indem z. B. die zwischen den Elektroden 11 und 12 herrschende Spannung zwischen das Steuergitter und die Kathode einer Elektronenröhre geleitet wird, um auf diese Weise den Anodenstrom der Elektronenröhre zu steuern. Es ist zweckmäßig, zur Schonung der Elektroden gegen elektrolytische Einflüsse einen Wechselstrom als Meßstrom zu benutzen.

Die als Feuchtigkeitsfühler dienenden Stoffe Magnesiumfluorid, Aluminiumfluorid und Kryolith erweisen sich auch hinsichtlich des Temperaturkoeffizienten des Feuchtigkeitsmessers als besonders vorteilhaft. So zeigt z. B. ein Feuchtigkeitsmesser der beschriebenen Art mit einer aus Magnesiumfluorid bestehenden, als Feuchtigkeitsfühler dienenden Schicht 14 bei Temperaturänderungen von ο bis 14⁰C nur eine Abweichung der Feuchtigkeitsanzeige von 1,5 °/o der zu messenden relativen Feuchtigkeit. Selbstverständlich ist es möglich, die Abweichung durch Berücksichtigung des Temperaturkoeffizienten mit beliebiger Genauigkeit zu korrigieren.

Die Herstellung erfindungsgemäß ausgebildeter Feuchtigkeitsmesser ist wirtschaftlich so günstig, daß die Einigung für eine breitere Verwendung entsteht. Die Auswertung der Ergebnisse kann auch

durch nicht sachverständige Beobachter vorgenommen werden. Auch kann die relative Feuchtigkeit besonders einfach und zuverlässig laufend registriert werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

. i. Feuchtigkeitsmesser mit Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von als Feuchtigkeitsfühler wirksamen, zwischen Elektroden eines Meßkreises vorgesehenen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitsfühler aus anorganischen, in Wasser schwerlöslichen Stoffen besteht.
2. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die den Feuchtigkeitsfühler bildenden Stoffe nicht nur zwischen den Elektroden, sondern mindestens teilweise auch auf zum Elektrodenträger abgewandt liegenden Begrenzungsflächen der Elektroden in dünner Schicht angeordnet sind.
3. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der als Feuchtigkeitsfühler -dienenden, der zu messenden Atmosphäre aussetzbaren Substanz weniger als 10—² mm beträgt.
4. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht, die aus der als Feuchtigkeitsfühler dienenden, der zu messenden Atmosphäre ausgesetzten Substanz besteht, etwa 10—³ mm beträgt.
5. Feuchtigkeitsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die als Feuchtigkeitsfühler dienende Substanz ein schwerlösliches Fluorid ist.
6. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Feuchtigkeitsfühler dienende Substanz ein schwerlösliches Metallfluorid ist.
7. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Feuchtigkeitsfühler dienende Substanz Magnesiumfluorid ist.
8. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Feuchtigkeitsfühler dienende Substanz Aluminiumfluorid ist.
9. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die als Feuchtigkeitsfühler dienende Substanz Kryolith ist.
10. Feuchtigkeitsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus elektrolytisch nicht angreifbarem Metall bestehen.
11. Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus einem Edelmetall bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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