WO2019097069A1 - Feuchte-sensorelement, verfahren zum herstellen eines feuchte-sensorelements, feuchte- oder taupunkt-sensor und feuchtemessverfahren - Google Patents

Feuchte-sensorelement, verfahren zum herstellen eines feuchte-sensorelements, feuchte- oder taupunkt-sensor und feuchtemessverfahren Download PDF

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sensor
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Definitions

  • Humidity sensor element method for producing a humidity sensor element, humidity or dew point sensor and
  • the invention relates to a humidity sensor element for a humidity sensor for measuring a moisture content in a gas. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a moisture sensor element, a humidity sensor or dew point sensor containing such a moisture sensor element and a moisture measurement method that can be carried out in particular with such a humidity sensor element.
  • Preferred embodiments of the invention relate to an apparatus and a method for determining the dew point.
  • Preferred aspects of the invention relate to a device for determining the moisture content in a gas comprising a vibrating element which is loaded with at least one and preferably with a plurality of materials, an electronic component, preferably for evaluating the oscillatory behavior of the vibrating element, a housing with at least one opening and optionally an element for increasing the temperature of the vibrating element and the materials loaded thereon.
  • Preferred further aspects of the invention further relate to a method for determining the dew point temperature of gases, wherein the at least one material, preferably the materials, on the vibrating element through the opening in the housing with the zu
  • Measuring gas are brought into contact and the vibration behavior is detected by the electronics.
  • the materials on the vibrating element are briefly heated by the temperature raising element.
  • the dew point is a pair of values consisting of the dew point temperature and the pressure of the corresponding gas and describes the point at which in a mixture of gas and steam, the gas phase is just saturated with the amount of steam present.
  • the dew point temperature of a wet gas that is not saturated with steam is the temperature to which the gas mixture can be isobarically cooled until it comes to the first condensation of steam.
  • the measurement of the moisture content in moist gases is of broad technical interest.
  • the prior art therefore describes a number of methods and devices for determining the dew point in gases.
  • One of the most commonly used measurement principles relies on the so-called tachometer hygrometer and the dew point hygrometer in which a surface is cooled until liquid water separates thereupon by condensation of the vapor. The formation of minute droplets or thin films of water on these surfaces can then be detected by means of optical, capacitive, resistive or thermal methods.
  • the present at this time temperature of this area corresponds to the dew point temperature of the gas. Usually, the temperature is held in the vicinity of the dew-point temperature and slightly increased for each measurement and lowered again.
  • the piezoelectric crystal sensors include sound wave sensors such as
  • TSM Thick Shearing Vibration
  • SAW surface acoustic wave
  • APM acoustic plate mode
  • FPW bent plate wave
  • the vibrating element The vibrating element.
  • Piezo crystal sensors preferred for embodiments of the invention are quartz microbalances (QCM) and quartz tuning fork sensors (QTF).
  • QCM quartz microbalances
  • QTF quartz tuning fork sensors
  • the use of quartz in the so-called AT-section allows little Temperature dependence of the vibration behavior.
  • the quartz is embedded between at least two electrodes and caused to vibrate by applying a drive signal.
  • the drive signal is generated by a suitable electronics and is well known to the skilled person.
  • a change in the vibration behavior is also detected and evaluated by a suitable electronics. Suitable methods and devices are well known to those skilled in the art.
  • piezocrystal sensors for measuring the dew point are described inter alia in DE 698 16 431 A1.
  • a standard QCM quartz plate is installed in a pressure chamber. When the dew point is reached, the oscillation frequency of the quartz plate changes.
  • the described use of a temperature-controlled pressure chamber requires significant amounts of energy for operation and is therefore not suitable for mass use or operation for a long time without consuming
  • a coating of the piezocrystal sensors can be used to specifically detect a particular chemical or to improve the sensitivity of the sensor.
  • Application CH 465 275 A describes a series of coatings for the detection of specific materials. A salient feature of these sensors is their linearity, which is expressly referred to in CH 465 275 A.
  • JP 07 260 661 A describes the use of polyethersulfone as
  • Linearity of the signal as a function of the concentration to be measured is based on the linearity of the mass increase as a function of the concentration of a substance to be measured and is characterized by high
  • Oscillating element applied, and the mass change of the layer can over the well-known relationships, i.a. the Sauerbrey equation, to be captured.
  • the linearity of the answer is a central element of such measurement principles.
  • US Pat. No. 4,973,182 A is based on the same measuring principle and also describes a group of possible water-absorbing materials (aluminum oxide, water-attracting polymers and copolymers, water-absorbent, deliquescent salts) on a QCM sensor which is operated at constant temperature. The sensors are thereby covered as much as possible of the surface or even completely covered by the water-absorbing material. Again, the principle of measurement is based on a mass change on the QCM sensor, which in turn is detected by changing vibration behavior.
  • water-absorbing materials aluminum oxide, water-attracting polymers and copolymers, water-absorbent, deliquescent salts
  • Mass change occurs continuously and linearly by taking up water in the layer.
  • the evaluation is carried out via a calibration function which links the frequency / mass change and the moisture content or dew point.
  • US 6 126 311 A describes a dew point sensor based on MEMS technology, wherein a cooling and heating unit is used to bring the temperature of the vibrating element above and below the dew point, and by detecting the change in vibration with it to determine the dew point. Cooling and heating requires significant amounts of energy and makes them
  • US 2006/0032290 A1 describes the use of moisture absorber materials and a heating element directly on the vibrating element.
  • the use of polymers, hybrid materials and inorganic materials is widely described.
  • Coatings are mentioned as preferred if moisture and dew point are to be detected.
  • the US 2006/0032290 A1 also refers to the problem of saturation of such sensors, since the condensed water is difficult to remove from the sensors and thus a meaningful response of the sensor after saturation can be greatly delayed.
  • the claimed groups of sensors cause condensed water to be shaken off.
  • the adaptation of the coating materials is described to the moisture to be measured, wherein between chemisorption and physical
  • Adsorption of water is distinguished.
  • the sensors can be heated by a mounted on the back of the oscillating elements resistance heater, and thus regenerated.
  • US 2006/0032290 A1 discloses the need to periodically heat the sensors and places the heating element directly on the vibrating element. This makes the vibrating element much heavier.
  • the combination of different manufacturing techniques (quartz crystal cutting, deposition of metal electrodes, preferably platinum) and materials leads to a
  • Basic conditions pressure, temperature, possibly gas composition, impurities is the retrieval of a specific reference value or the internal Zero point determination of a sensor centrally, otherwise subject to the readings a difficult to detect drift.
  • WO 2015/085298 describes a pair of QCM sensors wherein one of the sensors is coated to detect thiols in gases and the other QCM serves as a reference.
  • Vibration-based systems thus exist in a wide variety, and are largely based on the introduction of the principle by William H. King (Analytical Chemistry, Vol 36, No. 9, August 1964, pages 1735-1739).
  • the described drift, zero point, and long-term stability problems have been attempted in various ways to improve, resulting in either complex (large, heavy, expensive and / or high power or maintenance devices) devices, or in modern MEMS based systems to devices that are sensitive, or continue to have significant drift, or a greater number of sensors must be used, making the systems more prone to error, and the production costs grow strongly.
  • the invention has for its object to provide apparatus and methods for determining the moisture, which work more reliable with low energy consumption and in demanding environments.
  • the invention provides a humidity sensor element according to claim 1 and a method for determining moisture according to claim 12.
  • a method for producing the humidity sensor element and a moisture and dew point sensor with such a moisture sensor Sensor element are objects of the additional claims
  • the invention provides a moisture sensor element for a moisture sensor for measuring a moisture content in a gas, comprising at least one vibrating element and at least one material on the vibrating element, wherein the at least one material is designed such that its mass is at changes abruptly over a humidity value changing moisture.
  • a first material be present at a first
  • Moisture value of the leaky mass and a second material are provided with at a second moisture value of abruptly changing mass. It is preferable that the first material and the second material are arranged on the same side or on the opposite side of the at least one vibrating element.
  • first material and the second material are arranged on the same area or on different areas of the at least one vibrating element.
  • first material and the second material are arranged side by side, one above the other or in an annular or surrounding arrangement.
  • first material and the second material are on
  • the at least one material is a porous material in which the pore sizes are selected and distributed such that when the moisture changes over a moisture level an abrupt change occurs
  • the at least one material is a porous material, in which the deviation of the pore size of the pores from the mean pore size of the material is selected such that an abrupt mass change occurs when the moisture changes over a moisture value.
  • the at least one material is a defined-porous material.
  • first and second materials differ
  • the at least one material is selected from the group of microporous, mesoporous and macroporous materials.
  • At least a portion of the at least one material be treated with a surface derivatizing reagent to alter wettability.
  • At least a portion of the at least one material be treated with an organosilane or organosiloxane as the surface derivatizing reagent to alter wettability.
  • At least a portion of the at least one material be provided or treated with an additive for altering the radiation absorbency against light or infrared or thermal radiation.
  • the at least one vibrating element as
  • Quartz microbalance and / or designed as a quartz tuning fork Quartz microbalance and / or designed as a quartz tuning fork.
  • the invention relates to a method for producing a moisture sensor element according to one of the preceding embodiments, comprising:
  • the invention relates to a humidity sensor for determining the moisture content in a gas
  • a housing having at least one opening, a moisture sensor element, preferably according to one of the preceding embodiments, within the housing and an electronic component for driving the
  • a sensor element with a non-linear characteristic is provided.
  • at least one non-linearity in the characteristic can be used, for example for determining a reference point.
  • Particularly preferred is a
  • Sensor element whose characteristic (signal on (relative) moisture in the gas applied) at least a first non-linearity and a second non-linearity, wherein the sensor is adapted to generate from the first non-linearity and the second non-linearity at least one reference point.
  • the distance between nonlinearities and / or a ratio of the non-linearities is used for determining the reference value and / or for the calibration.
  • the senor is closed at its opening with a membrane which is gas-permeable but impermeable to water.
  • Such membranes can pass gas and water vapor into the interior of the housing to the sensor element, but keep water out of the housing.
  • the sensor can thus reliably work environments with splash water or the like.
  • a sensor element which has at least one vibrating element, which is provided with a first coating and a second coating, wherein the first coating and the second coating has a different wettability relative to water.
  • the first coating is hydrophilic and the second coating is hydrophobic.
  • the at least one vibrating element comprises at least one material, which may be the at least one material with nonlinear behavior, but need not be, and that at least part of the at least one material is treated with a surface-derivatizing reagent for changing the wettability ,
  • the housing contains a tempering element for influencing the temperature of the at least one material.
  • the housing contains a heating element for influencing the temperature of the at least one material.
  • the housing be a light, infrared or
  • Heat radiation source for irradiating the at least one material with light, infrared or heat rays contains.
  • the housing has an LED module for irradiating at least one material on a light-emitting oscillating element.
  • Infrared or heat rays contains.
  • Oscillating element means that the sensor can be particularly energy efficient, a temperature range can be traversed and thus determines a dew point can be. Particularly preferably, this is provided together with the at least one material having a nonlinear property, so that when passing through the temperature range, the location (s) of the at least one non-linearity is detected and for reference point determination and / or calibration
  • the housing is metallic.
  • the housing has a planar surface with respect to the at least one vibrating element.
  • the housing has a thermal mass which is more than 1000 times higher than the thermal mass of the at least one material applied to the at least one vibration element.
  • the housing is closed at its opening with a water vapor permeable, but watertight membrane.
  • the invention relates to a dew point sensor for determining a dew point in a gas, comprising a humidity sensor according to one of the preceding embodiments, wherein the electronic component is designed to provide a measurement signal which permits a determination of the dew point.
  • the invention relates to a moisture measurement method for measuring moisture in a gas, comprising
  • the course of its measurement signal depending on the humidity has at least one non-linearity, and determining a reference value based on the at least one non-linearity and / or
  • Gas-permeable but impermeable membrane is closed and / or c) using at least one vibrating element the areas
  • the moisture measurement method comprises: using a moisture sensor measuring element whose course of its measurement signal has a first nonlinearity and a second nonlinearity as a function of the humidity, and determining the reference value on the basis of a comparison of the first
  • the moisture measurement method comprises: using a humidity sensor element according to one of the embodiments explained above or a moisture sensor element obtainable with the above-described Fierstell compiler or a humidity sensor according to one of the above embodiments.
  • the moisture measurement method comprises: using two or more abrupt changes in the vibration behavior of the at least one vibration element for reference value determination and / or for calibration.
  • the moisture measuring method comprises: heating the at least one vibrating element and detecting one or more in the course of
  • the moisture measurement method comprises repeatedly heating the at least one vibrating element and detecting changes in the frequency of the at least one vibrating element during a cooling phase or cold phase between two heating, in particular detecting whether and to what extent these changes in frequency increase with increasing number of heating cycles. / Cooling phases become smaller, and from the fall of this change, the humidity or the dew point is determined.
  • Embodiments of the invention allow sensors which can reliably determine the dew point with low energy consumption and also in reliably find their reference point in a demanding environment. Due to the low energy consumption, the sensor is advantageous for decentralized applications, in a small space, in moving systems or in the use in
  • Objectives of embodiments of the present invention are to minimize or altogether obviate one or more of the above disadvantages of known systems.
  • a particularly preferred sensor comprises
  • Preferred embodiments of the sensor or its sensor element show a non-linear behavior with respect to gases with different relative humidity.
  • one or more of the defined porous materials be prepared in two steps on the vibrating element, with and in a first step an essentially non-porous layer of a precursor material
  • two or more defined porous materials are provided which differ with respect to each other i) its pore diameter, or
  • the defined porous materials are contained in amounts that contain a significantly different pore volume.
  • the defined porous materials from the group of micro, meso and macroporous materials.
  • At least one defined porous material is provided, wherein a portion of the material with a surface-derivatizing reagent for
  • the surface derivatizing reagent is an organosilane or organosiloxane.
  • a sensor which has an infrared or light emitting element, wherein an additive is present in the at least one material, preferably in at least one of a plurality of defined porous materials, wherein the additive has the radiation absorption properties of the material relative to the light or light Infrared radiation changed.
  • a sensor element with a vibrating element based on a quartz microbalance is preferred.
  • a sensor element with a vibrating element based on a quartz tuning fork is preferred.
  • a sensor with a water vapor permeable and waterproof membrane over the opening in the housing Preferably, a sensor with a metallic housing, wherein the housing has a planar surface relative to the vibrating element, and the
  • thermal mass of this housing part is over 1000 times higher than the thermal mass of the deposited on the vibrating body defined porous material.
  • the vibrating element is heated at least once, whereby two or more sudden changes in the frequency of the vibrating element occurring thereby are detected.
  • the vibrating element is heated several times in succession, wherein the change of the frequency of the vibrating body during the cooling or cold phase is detected between two heats.
  • the above changes in the frequency become smaller as the number of heating / cooling phases increases, the moisture or the dew point being determined from the drop in these measured values.
  • Dew point sensor which is preferably designed as a reference point sensor.
  • a mobile power supply such as, in particular, a battery or rechargeable battery and / or an energy harvester is provided with which ambient energy - e.g. Heat, vibration, radiant energy, electric fields, etc. - Energy can be generated to operate the sensor.
  • ambient energy e.g. Heat, vibration, radiant energy, electric fields, etc.
  • the electronic component is designed for wireless communication.
  • it has at least one transmitter for wireless Sending the sensor signal.
  • a transceiver for bidirectional wireless communication is provided.
  • a particular aspect of the embodiments illustrated here relates to the generation of a reference point. While linear characteristics are desired throughout the state of the art, it is provided in an alternative of the invention to use a sensor element in which the characteristic curve has at least one nonlinearity, preferably at least one first and one second
  • Nonlinearity This can e.g. be produced with a vibrating element, on which one or more materials are applied, which shows a sudden change in mass when passing over a predetermined value of the humidity of the gas surrounding the vibrating element.
  • a vibrating element on which one or more materials are applied, which shows a sudden change in mass when passing over a predetermined value of the humidity of the gas surrounding the vibrating element.
  • An example of this is a porous one
  • a tuning fork is used as the vibrating element.
  • more than one tuning fork may be present.
  • the vibrating regions are one or more
  • Tuning forks coated with a defined porous material
  • This level can be used to form a reference value. This allows the sensor to be calibrated and the frequency measurement taken to determine the relative humidity.
  • an apparatus and a method for dew point determination are proposed.
  • the device may be based on a pair of tuning forks, a porous and hydrophilic coated, preferably monodisperse particulate coated, the reference hydrophobic, non-porous coated.
  • the housing may, but need not, be connected via e.g. on
  • Peltier element but preferably via a simple radiator such. LED or the like can be heated or cooled. This may be the determination of
  • dew point would allow water to condense in the porous hydrophilic portion, causing significant mass changes, while a hydrophobic non-hydrophilic reference tuning fork would allow for easy compensation for drift and pressure, etc fluctuation.
  • the at least one vibrating element e.g. one or more tuning forks
  • the at least one vibrating element e.g. one or more tuning forks
  • the tuning fork would always be "a bit behind", so that water could also be pre-condensed on the inside of the housing, and then transferred to the tuning fork as a vapor by heating the wall quickly. That would be too
  • a particularly preferred embodiment of the sensor has a tuning fork or a Q-based sensor element with a non-linear response profile; preferably without Peltier element, optionally with a periodic diode, almost adiabatic heightening of the Q.
  • One LED has opposite one
  • Peltier element as a heating element a massively smaller response time and a massively lower energy consumption.
  • the sensor element has a non-linear response profile.
  • a plurality of "zeolites" are provided on a Q or a vibrating element.
  • Another preferred idea involves the use of a range of pore condensation materials in various amounts for internal rapid recovery of reference levels. While practically all previously known dew point sensors have a cooling element, in one preferred embodiment an LED is used. In another idea is a gaspermeable
  • a preferred embodiment of the invention relates to a sensor for measuring the dew point in a gas comprising a vibrating element, one or more porous materials with a defined pore size and optionally one Heating element or an IR or light-emitting element.
  • Vorzgumir the sensor is characterized by a non-linear claim behavior
  • Preferred embodiments of the invention provide a small mobile dew point sensor.
  • Preferred embodiments of the invention relate to a reference point sensor whose characteristic has at least one non-linearity, wherein the
  • Rerferenzyaksensor is adapted to determine a reference point due to the at least one non-linearity.
  • Preferred embodiments of the invention provide a dew point sensor with low energy requirements.
  • Mass increases are detected by a vibrating element, there are often depositions on the vibrating element, which leads to a change of the
  • embodiments of the invention aim at producing at least one nonlinearity in the characteristic line and at least one nonlinearity for reference point generation and for calibration
  • the dew point sensor is used to detect a threshold or threshold to produce a warning signal.
  • the sensor in gas-filled systems, such as in electrical
  • Embodiments of the invention thus also relate to a gas-filled system or high-voltage system with a sensor according to one of the aforementioned embodiments.
  • SF6 is a climate-damaging gas that is also classified as harmful gas. It is therefore increasingly sought after alternatives to replace SF6.
  • Many substitute gases are based on ketones. The substitute gases can recombine and consume. This effect is under moist
  • threshold detection for generating switching criteria or generating warning signals is the counting of events, e.g. how often the dew point exceeds or falls below a certain threshold.
  • Another possibility is the detection of moisture in a gas.
  • the water content in a petrochemical plant can be monitored.
  • Materials on the vibrating element multiple nonlinearities, e.g. several stages, generated in the characteristic curve. This allows one or more reference values to be found by searching the one or more stages in the characteristic.
  • the characteristic has a first and a second non-linearity.
  • the ratio of the steps to each other is also under rough
  • an embodiment of the sensor is adapted to the ratio of a first jump in the Characteristic to monitor a second jump in the characteristic. If this ratio changes (eg beyond a certain tolerance), this indicates an error.
  • the sensor can therefore be set up to output a corresponding error signal.
  • the senor preferably has at least one
  • Temperature detection device for detecting a temperature and / or a tempering element for adjusting and / or changing the temperature of the
  • a simple radiation element such as in particular an infrared or light-emitting element, preferably formed as an LED used.
  • the finding of the steps can e.g. done by changing the temperature.
  • the nonlinearities are preferably generated by pore condensation.
  • porous materials are used with defined pore sizes.
  • FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of a
  • Moisture content in a gas comprising at least one
  • Fig. 2 is a perspective view of a second embodiment of the
  • 3a shows a plan view of a third embodiment of the sensor element
  • FIG. 3b is a side view of the sensor element of FIG. 3a;
  • FIG. 4a shows a plan view of a fourth embodiment of the sensor element;
  • FIG. 4b is a side view of the sensor element of FIG. 4a; FIG.
  • Fig. 5a is a plan view of a fifth embodiment of the sensor element
  • Fig. 5b is a side view of the sensor element of Fig. 5a;
  • 6a is a plan view of a sixth embodiment of the sensor element
  • Fig. 6b is a side view of the sensor element of Fig. 6a;
  • Fig. 7 is a diagram showing a frequency signal of a vibrating element
  • FIG. 8 is a perspective view of an embodiment of a moisture
  • Sensor having a housing and a housing opening, inside which one of the sensor element of Figures 1 to 6b is housed.
  • 9a is a perspective view of another embodiment of the
  • Humidity sensor in which the opening is closed by a gas-permeable, but water-repellent membrane
  • FIG. 9b shows a section through a region of the opening of the sensor of FIG. 8a; FIG. and
  • Fig. 11 is a linear characteristic of a prior art humidity sensor compared to a characteristic with at least one non-linearity of one embodiment of the humidity sensor.
  • Different embodiments of a sensor element 10 for a humidity sensor 12 are shown in FIGS. 1 to 6b.
  • the sensor element 12 has at least one vibrating element 14, which can be excited to oscillate.
  • a first material 16 and a second material 18 is provided on the at least one vibrating element 14.
  • at least one of the materials 16, 18 is formed such that its mass changes abruptly with moisture changing over a moisture value.
  • FIGS. 8 to 10 Different embodiments for a humidity sensor 12 having a housing 500 with an opening 510 are shown in FIGS. 8 to 10.
  • Housed in the housing 500 is at least one oscillating element, preferably at least one oscillating element 14 of the type shown in FIGS. 1 to 6b.
  • the humidity sensor 12 has an electronic component, not shown in detail in the figures, and a temperature control element 20 accommodated in the housing 500 for tempering the vibrating element 14.
  • the opening 510 may be closed by a gas-permeable membrane.
  • the tempering element 20 is preferably designed as a radiation element 560 for irradiating the vibrating element 14 with heat or infrared radiation and / or with light.
  • a quartz oscillating element 100 with two carriers 101 and 102 is provided as oscillating element 14, which serve as electrodes at the same time.
  • a metal electrode 110 is also apparent in this view.
  • the quartz oscillating element 100 contains, as first and second material 16, 18, two defined porous materials 151 and 152, which on the quartz oscillating element 100 are juxtaposed with (or without) Distance apart are attached. Also, a concentric arrangement (not shown), in which the first material 16, the second material 18, for example, annular completely or even partially surrounds, is conceivable.
  • FIG. 2 shows a further embodiment for the sensor element 10 with the quartz oscillating element 100 as oscillating element 14, again with first and second material 16, 18 with two defined porous materials 161 and 162, which however here partially overlap one another on the quartz - Oscillating element 100 are mounted.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the sensor element 10, wherein a quartz tuning fork 200 is provided as a vibrating element 14 in plan view (FIG. 3a) and in side view (FIG. 3b) with flange 202 (left) and oscillating region 204. Both arms 210, 220 of the tuning fork 200 are with
  • Two defined porous materials 301 and 302 are mounted as first and second materials 16, 18 on the same arm 220 of the quartz tuning fork 200.
  • FIG 4 shows a further embodiment of the sensor element 10 with the quartz tuning fork 200 with two defined porous materials 303 and 304, which are applied to the two arms 210 and 220.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the sensor element 10 with the quartz tuning fork 200 having two defined porous materials 305 and 306 overlapped on the same arm 220.
  • Fig. 6 shows another embodiment of the sensor element 10 with the quartz tuning fork 200 having two defined porous materials 307 and 308 mounted on the same arm.
  • a first material 307 is mounted on the front, the second material 308 on the back.
  • Figure 8 shows an embodiment of the humidity sensor 12 with the housing 500 with the opening 510, through which the environment with the coated Oscillating element 14, in particular with the quartz 100, 200 (not shown in Fig. 8, in the housing) can interact.
  • FIG. 9 shows the same housing 500 with a membrane 550 applied over the opening 510 (hidden, not visible). In addition to the side view (FIG. 9a, left), a cross-section through the opening 510 is clamped over it
  • Membrane 550 shown ( Figure 9b, right).
  • the 10 shows another embodiment of the humidity sensor 12 including the housing 500 with the quartz tuning fork 200 and one of the above-mentioned coatings (not shown in further detail for clarity), the opening 510, and a light or infrared emitting element 560th
  • Preferred vibrating elements 14 are constructed based on vibrating quartz or quartz vibrating forks and include at least one piezoelectric material and at least two electrodes. Suitable vibrating elements 14 are therefore also the quartz oscillating crystals, as used in quartz microbalances.
  • Porous Materials 151-162, 301-308 are made of a wide variety of materials and are characterized by the fact that the materials have pores with a narrowly defined diameter. According to the International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC, a distinction is made between micro- (pore diameter less than 2 nm), meso (pore diameter between 2 and 50 nm) and macroporous (pore diameter greater than 50 nm) materials.
  • the material class of zeolites and the Metal-Organic Framework (MOF) materials belongs to a large extent to the microporous materials.
  • the material class of MCM-41 (Mobil Composition of Matter No. 41) and SBA-15 materials includes mesoporous materials, whereby the pore size can be adjusted by a special choice of the synthesis conditions.
  • porous glasses having pores of 2 to 1000 nm can be prepared by a variety of methods, with the extraction of alkali borosilicate glasses after phase separation probably being the best known method.
  • Such glasses are commercially available under the name Vycor glasses.
  • Electron microscopy or indirectly by determining the specific surface of a material by an absorption method, and calculating the pore diameter.
  • An often used method is the absorption of
  • Nitrogen (N2) at -196 ° C the so-called Brunauer-Emmett-Teller (BET) method.
  • BET Brunauer-Emmett-Teller
  • devices such as a Tristar or Gemini can be used, as these are commercially sold by the company Mikromeritics.
  • the specific surface of the sample can be determined, and the mean
  • Pore diameter and the pore size distribution can be calculated.
  • the process is sufficiently known to the person skilled in the art.
  • the so-called pore size distribution is used to differentiate between porous materials and defined porous materials:
  • the pore volume fraction (y-axis, units: cm3 / g per nm or angstrom) is plotted against the pore diameter (x-axis, units: nm or angstrom).
  • a material is defined porous if the following two conditions are true:
  • the width of the peak in the above representation at half the height of the flute (units: nm or angstrom) is less than one quarter of the mean pore diameter (units: nm or angstrom), determined by the BET method.
  • the pore volume (units: cm 3 / g) within the width of the peak is at least one fifth (20%) of the total pore volume (Units: cm3 / g) of the material.
  • the first material 16 and the second material 18 may adhere to the defined porous materials 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 distinguish by the pore diameter, then there is a pure
  • 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 be equal, provided that these materials 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 differ by different wettability.
  • Such different wettability Such different
  • Wettabilities are known to those skilled in the art and are referred to as hydrophilic or hydrophobic materials 16,18.
  • the wettability is often quantified by the so-called contact angle.
  • These include devices such as the DAS 100 from Krüss, or the Theta device from Biolin Scientific.
  • Two or more different materials 16, 18, especially two or more defined porous materials 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 can be applied to the vibrating element 14 in numerous arrangements and variable amounts.
  • the application of the materials 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 can take place in one or more process steps, and depending on the specific embodiment also comprises further process steps.
  • Materials 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 include spin-coating of suitable dispersions or dispersions of precursor materials.
  • the layers are preferably solidified by heating, or brought in an additional step in the actual application form.
  • suitable application methods are the coating by gas phase or plasma coating, typically first a
  • Precursor material layer is applied, and later separately by an additional processing step, the actual application of the defined porous material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 is formed.
  • adjuvants which are known to the person skilled in the art and which contain binders or adhesives may also be used to improve the adhesion.
  • Particularly suitable methods use the deposition of one or more drops of a dispersion of the materials 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 or dispersions of the precursor materials on the
  • Oscillating element 14 are mounted.
  • two or more materials 161, 162; 305, 306 applied to each other on the vibrating element 14.
  • additional processes can be used between the individual steps, such as the heating of the vibrating element, or the application of an extraction solution for the conversion of a precursor material into a defined porous material.
  • FIG. 2 or FIG. 5 Such an arrangement is shown in FIG. 2 or FIG. 5.
  • the two materials 161, 162; 305, 306 are arranged one above the other.
  • the preferred choice of materials 161 and 162 is that the material 161 attached closer to the vibrating element 14 has a smaller pore diameter than the overlying material 162.
  • Pore diameter it is advantageous to previously deposit the more hydrophilic material on the vibrating body of the vibrating element 14.
  • the arrangement of the individual coated regions of the oscillating body of the vibrating element 14 can be symmetrical or asymmetrical with respect to the shape of the vibrating body.
  • the amount and size of each coated area can vary greatly.
  • the height, shape and extent of the coated areas can vary greatly.
  • the amounts of defined porous materials 151, 152 used; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 different.
  • the amounts of used are
  • Pore volume of the material with a larger pore diameter is
  • the pore volume of the more hydrophilic material is significantly smaller than the pore volume of the less hydrophilic material.
  • the material is produced here in two steps, wherein first a precursor material is applied to the oscillating body of the vibrating element 14 (step 1) and then a part of the precursor material is converted by a further process step into a material with different wettability.
  • Particularly preferred materials here are silicate-based micro- or
  • Mesoporous materials and macroporous glasses which are converted to a part of the material by a surface modification step in a material with different wettability.
  • Suitable reagents for modifying the wettability of the pores are well known, and include the class of organosilanes, organoboranes, surfactants, amphiphilic polymers and many other materials.
  • trimethoxysilanes which are commercially available, for example, from Gelest.
  • a suitable combination of mesoporous materials is based on defined porous silicate materials such as MCM41 and derivatized organo-trimethoxysilanes.
  • Suitable organosilanes are alkyl and aryltrimethoxysilanes for lowering the wettability of the defined porous materials to water.
  • Suitable organosilanes having amine, ammonium, carboxy, sulfonate, phosphonate, polyglycol, polyglycerol or polyacrylate functionality are suitable for
  • ionic organosilanes or organosilanes that facilitate salt formation can be used in preferred variants to alter wettability.
  • ionic organosilanes is advantageous in sensors with fast response to changes in humidity or dew point.
  • Ratios of the quantities of material of the individual materials are different.
  • the amount of pore volume of the material with the smallest pore diameter is the smallest.
  • Materials of similar pore diameter are advantageous when the amount of pore volume of the most hydrophilic material is smallest.
  • Optional Fleizimplantation are known in the art, and include, inter alia, platinum-based resistive Fleiz institute.
  • the vibrating element may be periodically heated by an element 560 emitting infrared or light.
  • an element 560 emitting infrared or light This is for example in FIG. 7 in which a voltage to be applied to the light-emitting element is shown in the lower area and a typical frequency signal of the oscillating element 14 is shown in the upper area.
  • an infrared or light emitting element 560 is advantageous in certain embodiments.
  • the length of the heating phases, the power and the frequency of the heating intervals depend on the field of application of the sensor, and can optionally be adapted via the electronics.
  • the length of the irradiation, the power and the frequency of the irradiation depends on the field of application of the sensor and can optionally be adapted via the electronics.
  • a light emitting element 560 in a partially transparent housing 500, or a housing 500 with an opening 510 may additionally be used to provide information to a user about the operation or operating condition of the sensor 12.
  • the parameters of the irradiation or heating of the vibrating element 14 are adapted in a preferred embodiment to the previously determined measured values of the sensor 12.
  • the duration and intensity of the irradiation of the vibrating element 14 is preferably higher at rapidly changing humidity conditions than at
  • the duration and intensity of the irradiation of the vibrating element 14 is smaller than when the relative humidity in a gas mixture decreases.
  • Sensors 12 of the type described herein having at least one material providing for at least one non-linearity in response due to its pore distribution or other characteristics, are specially adapted to reliably retrieve the zero or reference point. Such sensors 12 are especially suitable for long-term monitoring because they are less or not prone to drift of the sensor signal.
  • Heating or irradiation of the vibrating element 14 leads to one or more successive changes in the vibration behavior of the vibrating element 14.
  • Oscillating element 14 convertible.
  • the electronics provide one or more successive mass changes of the vibrating element 14, wherein the mass change is not continuous, but jump.
  • Oscillating element 14 evaluated to the effect that areas are distinguished in which no sudden change in the mass takes place (continuous
  • the relative size of two or more discontinuous areas depends on the materials 151, 152 used; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 on the vibrating element 14 from.
  • information on the ratios of the pore volumes of the materials 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 used in the evaluation of the raw data of the electronics to improve the signal quality.
  • a number of materials in different amounts with significantly different pore volumes are used.
  • the series of erratic ranges from the raw data can be evaluated better, since the relative mass changes (height of the jumps) are known, and always done in the same order.
  • a sensor 12 of the type described here contains a pore volume 1 of a first defined porous material 1 (examples: 151, 161, 301, 303, 305, 307) and a
  • Pore volume 2 of a second defined porous material 2 (examples 152, 162, 302, 304, 306, 308) and the conditions
  • a sensor 12 may also be heated or irradiated only for a short time. Thus, only a portion of the leaky areas are visualized, and the irradiation or fleeting is done more efficiently than if all areas were activated.
  • 303, 304; 305, 306; 307, 308 permits the positioning of sensors 12 having a wide range of dew point temperatures or moisture contents.
  • the energy requirement of the sensor 12 depends on the demands on the sensor, the humidity range, the measurement frequency and other factors.
  • Preferred sensors 12 for monitoring a large volume of gas with very slow changes in moisture content are periodically heated, or irradiated, and so can find the zero point or reference point, and are thus better protected against slow drift of the sensor signal.
  • Such sensors 12 have a very low power consumption, and are particularly suitable for hard-to-reach locations, or sensors 12 powered by solar cells or battery, or sensors 12 completely enclosed in another device or room. This is especially beneficial if an environment is meant to be especially clean, or inaccessible because of toxic
  • Threshold monitoring sensors 12 are typically used to detect an increase in humidity in an environment and are called monitoring sensors.
  • the sensor 12 is vibrated only periodically, and decided on the basis of the vibration behavior, whether no increase in the moisture has taken place, or whether a moisture increase occurs.
  • the first case can by a
  • the time course of the vibrational behavior after termination of the heating / irradiation step can also be used to detect the magnitude of the moisture increase.
  • Preferred monitoring sensors have a very low power requirement, and can also provide an indication of the extent of exceeding the limit in response (detection of exceeding a limit). Preferred monitoring sensors therefore have a preferred
  • Moisture conditions preferably include a variety of materials and are comparatively often heated or irradiated.
  • the housing 500 and the arrangement of the vibrating element 14 and the heating or irradiation element 560 are selected in preferred embodiments of the sensor 12 so that a part of the housing 500 serves as a condensation surface during the heating or irradiation step.
  • This part of the housing 500 is preferably close to at least one of the defined porous materials 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308, preferably in an array of parallel surfaces, one surface being defined by the oscillating element 14 and the second surface being defined by the corresponding part of the housing 500.
  • the housing 500 is not only a protection for the vibrating element 14, but serves as a thermally inert element and temporary cooler, which water vapor from the defined porous material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308, and temporarily fixed in the form of condensate.
  • the defined porous material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308, and the water within the housing 500 will partially recover in the defined porous material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 deposit. Another part of the water can escape through the opening 510 in the housing into the environment.
  • the vibration behavior of the sensor 12 can therefore be detected several times before and after a heating or irradiation phase, and thus provides the mass of water in defined porous material 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308.
  • the amount of bound water decreases after each heating or irradiation phase.
  • the decrease of the mass as a function of the number, type and duration, and distance of the heating or irradiation phases can be used as an additional parameter to determine a dew point, dew point temperature or humidity. Such behavior is shown in FIG.
  • the vibrating element 14 has a higher frequency (f0) after the start of the irradiation. After finishing the
  • Irradiation phase begins a cooling phase. Part of the moisture in the housing 500 deposits slowly on the vibrating element 14 (decrease in frequency). Towards the end of the cooling phase, the frequency increase becomes slow and almost linear.
  • the difference Af1 from the frequency of the sensor 12 before the start of the first irradiation phase is characteristic of the geometry of the housing 500, the type of materials, and the location and size of the opening 510.
  • a next Fleizphase leads again to a very rapid increase in the frequency.
  • a cooling phase starts again.
  • the frequency decreases again but decreases less.
  • the difference Af2 against the frequency of the sensor before the start of the first irradiation phase, Af1 and optionally further such frequency differences Afi when carrying out further (i-2) irradiation phases are characteristic for a specific humidity, geometry and housing 500, and length and type of irradiation.
  • Irradiation element 560 may be advantageous, the defined porous
  • Materials 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 all or partially to provide an additive which changes the recording of Stahl.
  • Preferred additives to the defined porous materials 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 are light or infrared absorbing
  • Preferred additives are mineral or organic pigments or dyes.
  • Suitable materials for absorbing light or infrared radiation are well known and include materials which are commercially available as paints.
  • suitable additives can be used to reduce the duration and intensity of the heating or irradiation phases. This is of interest because it directly reduces the energy intake.
  • pairs of materials 16, 18; 151, 152; 161, 162; 301, 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 are used, wherein a defined porous material is used once without and once with the additive.
  • Pore diameter comes into contact.
  • the additive is designed to accommodate the
  • Suitable materials are known and include titania in its anatase crystal form and light emitting elements 560 with light in the blue or ultraviolet portion of the spectrum.
  • Such sensors 12 are suitable for use in gas mixtures containing gases or volatile substances that lead to deposits on the sensors 12. Examples of such environments that lead to deposits on the sensors 12 are known to those skilled in the art, and include
  • porous materials e.g., more than two are mounted within the housing 500. These additional materials assist the operation of the sensor 12, and may improve the accuracy or reliability of the sensor 12 in certain environments.
  • the opening 510 in the housing 500 of the sensor 12 is provided with a diaphragm 550 which projects the sensor 12
  • the gas outside of the housing 500 can only interact with the sensor 12 through the membrane 550.
  • the housing 500 is otherwise sealed, so that no dirt or water in the housing 500 can penetrate.
  • the membrane 550 which protects the vibrating element 14 is well permeable to water vapor and at the same time a good barrier to liquid water. Suitable membranes for such
  • Membrane 550 with a water vapor permeability of more than 400 grams per square meter per day at 23 ° C and a water column of more than 5 meters are especially suitable.
  • the above membrane 550 is made of a polymer film which is characterized by good water vapor permeability. Suitable films may be made from polyurethanes or copolymers hydrophobic and hydrophilic portions are produced. Such membranes 550 are suitable for use with sensors in areas containing fuel or other solvents or oil, particularly areas where oily droplets may occur, particularly in the vicinity of machinery and engines, or in electronic equipment.
  • the placement of the heater or infrared or light emitting elements 560 in the sensor 12 is of particular importance for specific applications. In particular, it is of interest to the heating or
  • Irradiation element 560 to be mounted so that the opening of the housing or the membrane 550 mounted thereon is also irradiated or heated.
  • the light-emitting element 560 When using light-emitting elements 560, it may be advantageous to arrange the element 560 such that a portion of the light can escape to the outside, thus becoming part of a signal to a user of the sensor 12.
  • the light-emitting element 560 performs two functions: irradiating the vibrating element 14 and sending a signal to the user of the sensor 12. Such signals are of interest for the maintenance, calibration and monitoring of the state of such sensors 12, since they are simple Way the function of other data readers and
  • FIG. 11 shows a comparison of an ideal linear characteristic 600 of a
  • Moisture sensor as previously sought in the entire state of the art, with a characteristic 602 of an embodiment of the wet sensor 12 with a sensor element 10 according to one of Figures 1 to 6b. It is the detected
  • Frequency f is indicated schematically on the y-axis and the relative humidity% F on the x-axis.
  • the temperature T can also be indicated on the x-axis.
  • the characteristic curve 602 according to embodiments of the humidity sensors has a first nonlinearity 602 and a second nonlinearity 604.
  • the non-linearities 602, 604 can be used to generate reference values.
  • the first material 16 has a sudden increase in mass at a certain relative humidity value, for example due to pore condensation, while the second material 18 has a comparable mass increase at another particular relative mass
  • Has moisture value If, for example, by continuously increasing or decreasing the temperature, the two nonlinearities can be found, one can clearly obtain two reference values and, via the ratio of the nonlinearities to one another or their distance from one another, also another value for monitoring the function of the sensor.

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Abstract

Um einen robusten, energieeffizienten und genauen Feuchte-Sensor zu ermöglichen schafft die Erfindung gemäß einem Aspekt ein Feuchte-Sensorelement (10) für einen Feuchte-Sensor (12) zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas, umfassend wenigstens ein Schwingelement (14) und wenigstens ein Material (16, 18) auf dem Schwingelement (14), wobei das wenigstens eine Material (16, 18) derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Feuchtemessverfahren zum Messen einer Feuchtigkeit in einem Gas, umfassend Verwenden eines Feuchte-Sensorelements (10), dessen Verlauf seines Messsignals in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit wenigstens eine Nichtlinearität aufweist, und Ermitteln eines Referenzwertes anhand der wenigstens einen Nichtlinearität.

Description

Feuchte-Sensorelement, Verfahren zum Herstellen eines Feuchte- Sensorelements, Feuchte- oder Taupunkt-Sensor und
Feuchtemessverfahren
Die Erfindung betrifft ein Feuchte-Sensorelement für einen Feuchte-Sensor zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Feuchte-Sensorelements, einen Feuchte- Sensor oder Taupunkts-Sensor, der ein solches Feuchte-Sensorelement enthält und ein Feuchtemessverfahren, das insbesondere mit einem derartigen Feuchte- Sensorelement durchführbar ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes.
Bevorzugte Aspekte der Erfindung betreffen eine Vorrichtung zur Bestimmung des Feuchtegehaltes in einem Gas umfassend ein schwingendes Element, welches mit wenigstens einem und vorzugsweise mit mehreren Materialien beladen ist, eine Elektronikkomponente, vorzugsweise zur Auswertung des Schwingverhaltens des schwingenden Elementes, ein Gehäuse mit mindestens einer Öffnung und optional ein Element zur Erhöhung der Temperatur des schwingenden Elementes und der darauf beladenen Materialien. Bevorzugte weitere Aspekte der Erfindung betreffen weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung der Taupunkttemperatur von Gasen, wobei das wenigstens eine Material, vorzugsweise die Materialien, auf dem schwingenden Element durch die Öffnung im Gehäuse mit dem zu
messenden Gas in Kontakt gebracht werden und das Schwingverhalten durch die Elektronik erfasst wird. Optional werden die Materialien auf dem schwingenden Element durch das Element zur Erhöhung der Temperatur kurzzeitig erwärmt. Der Taupunkt ist ein Wertepaar bestehend aus der Taupunkttemperatur und dem Druck des entsprechenden Gases und beschreibt den Punkt, an dem in einem Gemisch aus Gas und Dampf die Gasphase mit der vorhandenen Menge an Dampf gerade gesättigt ist. Die Taupunkttemperatur eines feuchten Gases, welches nicht mit Dampf gesättigt ist, ist die Temperatur, auf die das Gas- Gemisch isobar abgekühlt werden kann, bis es zur ersten Kondensation von Dampf kommt.
Die Messung des Feuchtegehaltes in feuchten Gasen ist von breitem technischen Interesse. Der Stand der Technik beschreibt daher eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung des Taupunktes in Gasen. Eines der am weitesten verwendeten Messprinzipien beruht auf dem sogenannten Tauspiegelhygrometer und dem Taupunkthygrometer, bei denen eine Fläche gekühlt wird, bis sich darauf flüssiges Wasser durch Kondensation des Dampfes abscheidet. Die Bildung kleinster Tröpfchen oder dünner Wasserfilme auf diesen Flächen kann dann mittels optischer, kapazitativer, resistiver oder thermischer Methoden erfasst werden. Die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Temperatur dieser Fläche entspricht der Taupunkttemperatur des Gases. Üblicherweise wird die Temperatur dabei in der Nähe der Taupunkttemperatur gehalten und zur Messung jeweils leicht erhöht und wieder abgesenkt.
Ein alternatives Messprinzip zur Messung des Taupunktes beruht auf der
Verwendung von beschichteten Schwingquarzen oder anderen Piezokristallen.
Die Piezokristall-Sensoren umfassen Schallwellensensoren wie
Dickenscherungsschwingung-(TSM)-Einrichtungen, Oberflächenwellen-(SAW)- Einrichtungen, akustische Plattenmodus-(APM)-Einrichtungen und gebogene Plattenwellen-(FPW)-Einrichtungen und andere dem Fachmann bekannte
Anordnungen von Schwingelementen auf Basis von Piezokristallen. Auch bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung nutzen derartige Elemente als
Schwingelement.
Für Ausgestaltungen der Erfindung bevorzugte Piezokristall-Sensoren sind Quarz- Mikrowaagen (QCM) und Quarz-Stimmgabel-Sensoren (QTF). Die Verwendung von Quarz im sogenannten AT-Schnitt erlaubt dabei geringe Temperaturabhängigkeit des Schwingverhaltens. Der Quarz wird zwischen mindestens zwei Elektroden eingebettet und durch Anlegen eines Treibsignals zum Schwingen gebracht. Das Treibsignal wird durch eine dazu geeignete Elektronik erzeugt und ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Eine Änderung des Schwingverhaltens wird ebenfalls durch eine dafür geeignete Elektronik erfasst und ausgewertet. Geeignete Verfahren und Geräte sind dem Fachmann hinreichend bekannt.
Die Grundlagen dieser Art von Sensoren sind beschrieben durch William H. King, Esso Research, Analytical Chemistry, Vol 36, No. 9, August 1964, Seiten 1735 bis 1739, welcher unter anderem auf Drift hinweist, und die Notwendigkeit die
Sensoren gleichmäßig zu beschichten, und die Wichtigkeit der Linearität des Sensors betont (Seite 1738, Mitte).
Die Verwendung von Piezokristall-Sensoren zur Messung des Taupunktes sind unter anderem in DE 698 16 431 A1 beschrieben. Dabei wird ein Standard-QCM- Quarzplättchen in eine Druckkammer eingebaut. Beim Erreichen des Taupunktes erfolgt eine Änderung der Schwingfrequenz des Quarzplättchens. Die dabei beschriebene Verwendung einer temperaturkontrollierten Druckkammer benötigt erhebliche Mengen an Energie zum Betrieb und ist damit nicht geeignet für den Masseneinsatz oder den Betrieb über längere Zeit ohne aufwändige
Stromversorgung oder ohne Versorgung über einen Netzanschluss.
Eine Beschichtung der Piezokristall-Sensoren kann verwendet werden, um spezifisch eine bestimmte Chemikalie zu erfassen oder die Sensitivität des Sensors zu verbessern. Die Anmeldung CH 465 275 A beschreibt eine Reihe von Beschichtungen zur Detektion von spezifischen Materialien. Ein hervorstechendes Merkmal dieser Sensoren ist ihre Linearität in der CH 465 275 A ausdrücklich verwiesen wird.
Die JP 07 260 661 A beschreibt die Verwendung von Polyethersulfon als
Beschichtung eines Feuchtesensors auf Basis einer QCM und verweist ebenfalls auf die Linearität der. Die US 3 677 066 A beschreibt die Verbesserung der Zuverlässigkeit solcher Sensoren nach Vorbehandlung der Sensoren und verweist wieder auf die
Linearität des Signals in Abhängigkeit der zu messenden Konzentration. Dieses Messprinzip beruht auf der Linearität der Massenzunahme als Funktion der Konzentration eines zu messenden Stoffes und zeichnet sich durch hohe
Linearität aus, auf welche mehrfach explizit hingewiesen wird. Insbesondere illustriert die US 3 677 066 A das weit verbreitete Messprinzip dieser Gruppe von Sensoren: Feuchte oder Wasserdampf diffundiert in eine Schicht, und erhöht dadurch die Masse der Schicht. Die Schicht wird auf einem geeigneten
Schwingelement aufgebracht, und die Massenänderung der Schicht kann über die sehr bekannten Beziehungen, u.a. der Sauerbrey-Gleichung, erfasst werden. Die Linearität der Antwort ist dabei ein zentrales Element solcher Messprinzipien.
Die US 4 973 182 A beruht auf dem gleichen Messprinzip und beschreibt ebenfalls eine Gruppe von möglichen Wasser-absorbierenden Materialien (Aluminium-Oxid, wasseranziehende Polymere und Copolymere, wasseranziehende, zerfließende Salze) auf einem QCM-Sensor, welcher bei konstanter Temperatur betrieben wird. Die Sensoren werden dabei zu einem möglichst großen Teil der Fläche oder sogar vollständig durch das Wasser-absorbierende Material bedeckt. Wiederum beruht das Prinzip der Messung auf einer Massenänderung auf dem QCM-Sensor, welche ihrerseits durch geändertes Schwingverhalten erfasst wird. Die
Massenänderung erfolgt kontinuierlich und linear, indem Wasser in die Schicht aufgenommen wird. Die Auswertung erfolgt über eine Kalibrationsfunktion, welche die Frequenz/Massenänderung und den Feuchtegehalt oder Taupunkt verknüpft.
Die US 6 126 311 A beschreibt einen Taupunktsensor basierend auf MEMS- Technologie, wobei eine Kühl- und Heizeinheit dazu verwendet werden, die Temperatur des Schwingelementes über und unter den Taupunkt zu bringen, und durch Erfassen der Schwingungsänderung damit den Taupunkt zu bestimmen. Kühlen und Heizen benötigt erhebliche Mengen Energie und macht solche
Sensoren abhängig von kontinuierlicher Stromversorgung.
Die US 6 295 861 A beschreibt die Verwendung von unterschiedlich beschichteten QCMs in einem gemeinsamen Gehäuse. Wiederum werden Beschichtungen auf Basis von Polymeren offenbart, insbesondere Polystyrol-Sulfonsäure,
Polyvinylchlorid-Polyvinylacetat Copolymere, Siloxane und Polyethylenoxide, welche alle zu obigem linearem Ansprechverhalten des Sensors führen.
Beansprucht wird ein QCM Paar, untergebracht in einem Gehäuse, wobei ein Sensor mit Polyethylenoxid beschichtet ist, und der andere Sensor mit einem Siloxan. Dieses Verfahren beruht darauf, dass unterschiedliche Schichten auf QCM zu unterschiedlichem Verhalten gegenüber einem zu testenden Stoff führen. Die Verwendung von mehreren QCM, jeder einzeln mit einer anderen Schicht bedeckt, verbessert die Genauigkeit solcher Sensoren Gruppen.
Die US 2006/0032290 A1 beschreibt die Verwendung von Feuchte- Absorbermaterialien und eines Heizelementes direkt auf dem schwingenden Element. Es wird breit die Verwendung von Polymeren, Hybridmaterialien und anorganischen Materialien beschrieben. Bevorzugt werden mehrere Sensoren zusammen verwendet, jeweils einzeln mit unterschiedlichen Coatings. Die
Verwendung solcher Gruppen von Sensoren mit unterschiedlichen
Beschichtungen wird dabei als bevorzugt erwähnt, falls Feuchte und Taupunkt detektiert werden sollen. Die US 2006/0032290 A1 verweist auch auf das Problem der Sättigung solcher Sensoren, da das kondensierte Wasser nur schwer von den Sensoren entfernbar ist und damit ein sinnvolles Ansprechen des Sensors nach einer Sättigung stark verzögert sein kann. Die beanspruchten Gruppen von Sensoren führen dazu, dass kondensiertes Wasser abgeschüttelt werden könne. Weiter wird die Anpassung der Beschichtungsmaterialien an die zu messende Feuchte beschrieben, wobei zwischen Chemisorption und physikalischer
Adsorption von Wasser unterschieden wird. Die Sensoren können durch eine auf der Rückseite der Schwingelemente angebrachte Widerstandsheizung erwärmt, und so regeneriert werden. Die US 2006/0032290 A1 offenbart die Notwendigkeit, die Sensoren periodisch zu erhitzen, und legt das Heizelement direkt auf das Schwingelement. Damit wird das Schwingelement viel schwerer. Die Kombination verschiedener Fertigungstechniken (Quarzkristall schneiden; Abscheiden von Metallelektroden, bevorzugt Platin) und Materialien führt zu einem
Schwingelement mit unterschiedlicher Festigkeit, und damit auch weniger präzisem Schwingverhalten. Dies senkt den Qualitätsfaktor, und damit die
Trennschärfe bei der Erfassung von Schwingungsänderungen. Die US 2006/0032290 A1 offenbart des Weiteren die Schwierigkeiten der Kalibration und der Nullpunktfindung. In anspruchsvoller Umgebung mit sich ändernden
Rahmenbedingungen (Druck, Temperatur, allenfalls Gaszusammensetzung, Verunreinigungen) ist das Wiederfinden eines bestimmten Referenzwertes oder der internen Nullpunktfindung eines Sensors zentral, da sonst die ausgelesen Messwerte einer schwer erfassbaren Drift unterliegen.
Die WO 2015/085298 beschreibt ein Paar von QCM-Sensoren, wobei einer der Sensoren zur Detektion von Thiolen in Gasen beschichtet ist, und der andere QCM als Referenz dient.
Die Messung von tiefen Feuchtegehalten ist technisch speziell anspruchsvoll. US 5 615 954 beschreibt die Verwendung eines Tieftemperatur-Instrumentes mit entsprechend hohem Energiebedarf. Die Verwendung von verflüssigtem Gas zur Kühlung ist zudem nicht geeignet für transportierbare oder sogar dezentral verwendbare Sensoren, da solche Gase entsprechend nachgefüllt werden müssen, was zu hohem Wartungsaufwand führt. Es ist offensichtlich, dass solche Anordnungen nicht geeignet sind, mit tiefen Energiebedarf und wartungsfrei betrieben zu werden.
Schwingungsbasierte Systeme existieren also in einer breiten Vielfalt, und basieren weitgehend auf der Einführung des Prinzips durch William H. King (Analytical Chemistry, Vol 36, No. 9, August 1964, Seiten 1735 bis 1739). Die beschriebenen Probleme zu Drift, Nullpunktfindung und Langzeitstabilität wurden auf verschiedene Weise versucht zu verbessern, wobei dies entweder zu komplexen (großen, schweren, teuren und/oder Geräte mit hohem Energie- oder Wartungsbedarf) Geräten geführt hat, oder bei modernen, MEMS basierten Systemen zu Geräten, die empfindlich sind, oder weiterhin signifikante Drift aufweisen, oder eine größere Anzahl von Sensoren verwendet werden muss, wodurch die Systeme Fehler-anfälliger werden, und der Produktionsaufwand stark anwächst.
Das Problem der Sensorkalibration und der Referenzwert- oder Nullpunktfindung ist dem Fachmann sehr bekannt, und führt bei der Produktion von Sensoren zu einem erheblichen Aufwand in Bezug auf Logistik, Kennzeichnung, Qualitätssicherung und damit verbunden steigenden Kosten und Fehleranfälligkeit.
Es besteht daher ein Bedarf für Sensoren, welche bei geringer Energieaufnahme zuverlässig die Feuchte und/oder den Taupunkt bestimmen können und dabei auch in anspruchsvoller Umgebung zuverlässig ihren Referenzpunkt finden. Der geringe Energiebedarf ist von hohem Interesse bei dezentralen Anwendungen, geringem Platz, in bewegten Systemen oder in der Verwendung in
Massenmärkten, oder in Einwegverwendungen, wo der Sensor nur
Zwischenzeitlich verwendet wird (z.B. in einer Verpackung).
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Feuchte bereitzustellen, die mit geringer Energieaufnahme und in anspruchsvoller Umgebung zuverlässiger arbeiten.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung gemäß einer ersten Alternative ein Feuchte-Sensorelement nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Feuchte- Bestimmung nach Anspruch 12. Ein Verfahren zum Herstellen des Feuchte- Sensorelements und einen Feuchte- und Taupunkts-Sensor mit einem solchen Feuchte-Sensorelement sind Gegenstände der weiteren Nebenansprüche
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein Feuchte-Sensorelement für einen Feuchte-Sensor zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas, umfassend wenigstens ein Schwingelement und wenigstens ein Material auf dem Schwingelement, wobei das wenigstens eine Material derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert.
Es ist bevorzugt, dass ein erstes Material mit sich bei einem ersten
Feuchtigkeitswert sprunghaft ändernder Masse und ein zweites Material mit sich bei einem zweiten Feuchtigkeitswert sprunghaft ändernder Masse vorgesehen sind. Es ist bevorzugt, dass das erste Material und das zweite Material auf der gleichen Seite oder auf entgegengesetzten Seite des wenigstens einen Schwingelements angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass das erste Material und das zweite Material auf einem gleichen Bereich oder auf unterschiedlichen Bereichen des wenigstens einen Schwingelements angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass das erste Material und das zweite Material nebeneinander, übereinander oder in ringförmiger oder sich umgebender Anordnung angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass das erste Material und das zweite Material auf
unterschiedlichen Zinken oder auf dem gleichen Zinken eines als Stimmgabel ausgebildeten Schwingelements angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Material ein poröses Material ist, bei dem die Porengrößen derartig gewählt und verteilt sind, dass sich bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte eine sprunghafte
Masseänderung einstellt.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Material ein poröses Material ist, bei dem die Abweichung der Porengröße der Poren von der mittleren Porengröße des Materials derart gewählt ist, dass sich bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte eine sprunghafte Masseänderung einstellt.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Material ein definiert-poröses Material ist.
Es ist bevorzugt, dass sich das erste und das zweite Material unterscheiden
• durch ihren mittleren Porendurchmesser und/oder
• durch ihre Benetzbarkeit und/oder • dadurch, dass sie in Mengen vorgesehen sind, die ein deutlich
unterschiedliches Porenvolumen enthalten; und/oder
• durch ihre Strahlenabsorptionsfähigkeit gegenüber einer Licht- oder
Infrarot- oder Wärmestrahlung.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Material ausgewählt ist aus der Gruppe der microporösen, mesoporösen und macroporösen Materialien.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials mit einem oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials mit einem Organosilan oder Organosiloxan als oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist.
Es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials mit einem Additiv zur Veränderung der Strahlenabsorptionsfähigkeit gegenüber einer Licht- oder Infrarot- oder Wärmestrahlung versehen oder behandelt ist.
Es ist bevorzugt, dass das wenigstens eine Schwingelement als
Quarzmikrowaage und/oder als Quarz-Stimmgabel ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Feuchte-Sensorelements nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, umfassend:
a) Bereitstellen eines Schwingelements und
b) Beschichten des Schwingelements mit wenigstens einem Material, dessen Masse sich bei sich über einen Feuchtewert hinweg ändernder Feuchtigkeit sprunghaft ändert, wobei b) enthält:
b1 ) Aufbringen eines Vorläufermaterials auf dem Schwingelement und b2) Erzeugen von Poren in dem Vorläufermaterial, um so das Material, dessen Masse sich bei sich über einen Feuchtewert hinweg ändernder Feuchtigkeit sprunghaft ändert, zu bilden. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Feuchte-Sensor zur Bestimmung des Feuchtegehalts in einem Gas,
umfassend ein Gehäuse mit wenigstens einer Öffnung, ein Feuchte- Sensorelement, vorzugsweise nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, innerhalb des Gehäuses und ein Elektronikbauteil zum Ansteuern des
Schwingelements und Liefern eines Messsignals.
Vorzugsweise ist ein Sensorelement mit nichtlinearer Kennlinie vorgesehen. Damit kann wenigstens eine Nichtlinearität in der Kennlinie zum Beispiel zum Bestimmen eines Referenzpunktes verwendet werden. Besonders bevorzugt ist ein
Sensorelement vorgesehen, dessen Kennlinie (Signal über (relative) Feuchtigkeit in dem Gas aufgetragen) wenigstens eine erste Nichtlinearität und eine zweite Nichtlinearität aufweist, wobei der Sensor dazu ausgebildet ist aus der ersten Nichtlinearität und der zweiten Nichtlinearität wenigstens einen Referenzpunkt zu erzeugen. Besonders bevorzugt wird der Abstand zwischen Nichtlinearitäten und/oder ein Verhältnis der Nichtlinearitäten zur Referenzwertbestimmung und/oder zur Kalibrierung herangezogen.
Gemäß einer weiteren Alternative zum Lösen der oben genannten Aufgabe, die alternativ oder kumuliert zu der Verwendung des nichtlinearen Sensorelements vorgesehen sein kann, ist der Sensor an seiner Öffnung mit einer Membran verschlossen, die gasdurchlässig aber wasserundurchlässig ist.
Derartige Membrane können Gas und Wasserdampf in das Innere des Gehäuses zu dem Sensorelement durchlassen, aber Wasser aus dem Gehäuse fernhalten. Der Sensor kann so auch Umgebungen mit Spritzwasser oder dergleichen zuverlässig arbeiten.
Materialien für derartige Membrane sind beispielsweise als Stoffe für Outdoor- Bekleidungen seit Jahren bekannt und auf dem Markt für Funktionsbekleidungen oder Outdoor-Bekleidungen erhältlich. Gemäß noch einer weiteren Alternative, die kumuliert oder alternativ zu dem nichtlinearen Sensorelement und/oder der mit der gaspermeablen aber
wasserundurchlässigen Membran versehenen Öffnung vorgesehen sein kann, wird ein Sensorelement verwendet, welches wenigstens ein Schwingelement aufweist, das mit einer ersten Beschichtung und einer zweiten Beschichtung versehen ist, wobei die erste Beschichtung und die zweite Beschichtung eine unterschiedliche Benetzbarkeit relativ zu Wasser aufweist. Beispielsweise ist die erste Beschichtung hydrophil und die zweite Beschichtung hydrophob ausgebildet.
Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass das wenigstens eine Schwingelement wenigstens ein Material aufweist, welches das wenigstens eine Material mit nichtlinearem Verhalten sein kann, aber nicht sein muss, und dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials mit einem oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse ein Temperierelement zum Beeinflussen der Temperatur des wenigstens einen Materials enthält.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse ein Heizelement zum Beeinflussen der Temperatur des wenigstens einen Materials enthält.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse eine Licht-, Infrarot- oder
Wärmestrahlungsquelle zum Bestrahlen des wenigstens einen Materials mit Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlen enthält.
Insbesondere ist bevorzugt, oder bei einer Alternative der Erfindung auch selbstständig ohne das wenigstens eine Material mit nichtlinearen Eigenschaften und/oder auch ohne die gaspermeable Membran auch alleine vorgesehen, dass das Gehäuse einen LED-Baustein zum Bestrahlen wenigstens einen Materials auf einem Schwingelement mit Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlen enthält.
Die Verwendung einer LED zusammen mit einer geringen Masse eines
Schwingelements führt dazu, dass mit dem Sensor besonders energieeffizient ein Temperaturbereich durchfahren werden kann und somit ein Taupunkt bestimmt werden kann. Besonders bevorzugt ist dies zusammen mit dem wenigstens einen Material mit nichtlinearer Eigenschaft vorgesehen, so dass beim Durchfahren des Temperaturbereichs auch die Stelle(n) der wenigstens einen Nichtlinearität erfasst wird/werden und zur Referenzpunktbestimmung und/oder Kalibrierung
herangezogen werden kann/können.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse metallisch ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse eine planare Fläche gegenüber dem wenigstens einen Schwingelement aufweist.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse eine thermische Masse aufweist, die mehr als 1000mal höher ist als die thermische Masse des auf dem wenigstens einen Schwingelement aufgebrachten wenigstens einen Materials.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse an seiner Öffnung mit einer wasserdampf- durchlässigen, aber wasserdichten Membrane verschlossen ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Taupunktsensor zum Bestimmen eines Taupunkts in einem Gas, umfassend einen Feuchte-Sensor nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, wobei das Elektronikbauteil zum Liefern eines eine Bestimmung des Taupunkts zulassenden Messsignals ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Feuchtemessverfahren zum Messen einer Feuchtigkeit in einem Gas, umfassend
a) Verwenden eines Feuchte-Sensorelements, dessen Verlauf seines Messsignals in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit wenigstens eine Nichtlinearität aufweist, und Ermitteln eines Referenzwertes anhand der wenigstens einen Nichtlinearität und/oder
b) Verwenden eines Gehäuses mit einer Öffnung, die mit einer
gaspermeablen aber wasserundurchlässigen Membran verschlossen ist und/oder c) Verwenden wenigstens eines Schwingelements das Bereiche
unterschiedlicher Wasser-Benetzbarkeit, insbesondere einen hydrophil
beschichteten und einen hydrophob beschichteten Bereich aufweist.
Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: Verwenden eines Feuchte- Sensormesselementes, dessen Verlauf seines Messsignals in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit eine erste Nichtlinearität und eine zweite Nichtlinearität aufweist, und Ermitteln des Referenzwertes anhand eines Vergleichs der ersten
Nichtlinearität und der zweiten Nichtlinearität.
Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: Verwenden eines Feuchte- Sensorelements nach einer der oben erläuterten Ausgestaltungen oder eines mit dem oben erläuterten Fierstellverfahren erhältliches Feuchte-Sensorelement oder eines Feuchte-Sensors nach einer der obigen Ausführungen.
Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: Verwendung von zwei oder mehr sprungartigen Veränderungen des Schwingverhaltens des wenigstens einen Schwingelements zur Referenzwertbestimmung und/oder zum Kalibrieren.
Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: Erwärmen des wenigstens einen Schwingelements und Erfassen einer oder mehrerer im Verlauf der
Erwärmung auftretender sprunghafter Veränderungen der Frequenz des
Schwingelements.
Vorzugsweise umfasst das Feuchtemessverfahren: mehrmaliges Erwärmen des wenigstens einen Schwingelementes und Erfassen von Änderungen der Frequenz des wenigstens einen Schwingelements während einer Abkühlphase oder Kaltphase zwischen zwei Erwärmungen, wobei insbesondere erfasst wird, ob und in welchem Maße diese Änderungen der Frequenz mit zunehmender Anzahl der Erwärmungs-/Abkühlphasen kleiner werden, und aus dem Abfall dieser Änderung die Feuchte oder der Taupunkt ermittelt wird.
Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen Sensoren, welche bei geringer Energieaufnahme zuverlässig den Taupunkt bestimmen können und dabei auch in anspruchsvoller Umgebung zuverlässig ihren Referenzpunkt finden. Durch den geringen Energiebedarf ist der Sensor vorteilhaft für dezentrale Anwendungen, bei geringem Platz, in bewegten Systemen oder in der Verwendung in
Massenmärkten, oder in Einwegverwendungen, wo der Sensor nur
zwischenzeitlich verwendet wird (z.B. in einer Verpackung).
Ziele von Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bestehen darin, einen oder mehreren der oben genannten Nachteile bekannter Systeme auf ein Mindestmaß zu reduzieren, oder ganz zu umgehen.
Ein Sensor gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung hat mindestens ein
schwingendes Element, zwei oder mehrere zusätzliche vorzugsweise definiert porösen Materialien, ein optionales Heizelement oder ein Infrarot oder Licht ausstrahlendes Element und eine Elektronikkomponente.
Demnach umfasst ein besonders bevorzugter Sensor
i) mindestens ein schwingendes Element,
ii) zwei oder mehrere zusätzliche definiert-porösen Materialien,
iii) ein optionales Heizelement oder ein Infrarot oder Licht ausstrahlendem Element,
iv) und eine Elektronikkomponente und
v) ein Gehäuse mit mindestens einer Öffnung.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Sensors oder dessen Sensorelements zeigen ein nicht-lineares Verhalten gegenüber Gasen mit verschiedener relativer Feuchte.
Es ist bevorzugt, dass eines oder mehrere der definiert porösen Materialien in zwei Schritten auf dem Schwingelement hergestellt werden, wobei und in einem ersten Schritt eine essentiell porenfreie Schicht eines Vorläufermaterials
aufgebracht wird und in einem zweiten Schritt durch eine Behandlung die Poren erzeugt werden.
Vorzugsweise sind zwei oder mehr definiert poröse Materialien vorgesehen, die sich unterscheiden bezüglich i) ihres Porendurchmessers, oder
ii) ihrer Benetzbarkeit, falls die Porendurchmesser gleich sind.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen sind die definiert porösen Materialien in Mengen enthalten, die ein deutlich unterschiedliches Porenvolumen enthalten.
Vorzugsweise sind die definiert porösen Materialien aus der Gruppe der micro-, meso- und macroporösen Materialien.
Vorzugsweise ist wenigstens ein definiert poröses Material vorgesehen, wobei ein Teil des Materials mit einem Oberflächenderivatisierenden Reagenz zur
Veränderung der Benetzbarkeit behandelt wurde.
Vorzugsweise ist das Oberflächenderivatisierende Reagenz ein Organosilan oder Organosiloxan.
Es ist ein Sensor bevorzugt, der ein Infrarot- oder lichtemittierendes Element aufweist, wobei in dem wenigstens einen Material, vorzugsweise in mindestens einem von mehreren definiert porösen Materialien, ein Additiv vorhanden ist, wobei das Additiv die Strahlungsabsorptions-Eigenschaften des Materials bezüglich der Licht oder Infrarot Bestrahlung verändert.
Bei einem derartigen Sensor ist weiter bevorzugt, dass mindestens zwei übereinanderliegende Schichten aus definiert porösen Materialien vorgesehen sind.
Bevorzugt ist ein Sensorelement mit einem Schwingelement auf der Basis einer Quarzmikrowaage.
Bevorzugt ist ein Sensorelement mit einem Schwingelement auf der Basis einer Quarz-Stimmgabel.
Bevorzugt ist ein Sensor mit einer Wasserdampf-durchlässigen und wasserdichten Membrane über der Oeffnung im Gehäuse. Bevorzugt ist ein Sensor mit einem metallischen Gehäuse, wobei das Gehäuse eine planare Fläche gegenüber dem Schwingelement aufweist, und die
thermische Masse dieses Gehäuseteils über 1000-mal höher ist als die thermische Masse des auf dem Schwingkörper deponierten definiert porösen Materials.
Bevorzugt ist ein Verfahren zur Bestimmung des Taupunktes unter Verwendung eines Sensors gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen und unter Verwendung von zwei oder mehreren sprungartigen Veränderungen des
Schwingverhaltens.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren das Schwingelement mindestens einmal erwärmt, wobei zwei oder mehr dabei auftretende sprunghafte Änderungen der Frequenz des Schwingelementes erfasst werden.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren das Schwingelement mehrere Male hintereinander erwärmt, wobei die Änderung der Frequenz des Schwingkörpers während der Abkühl- oder Kaltphase zwischen zwei Erwärmungen erfasst wird.
Vorzugsweise werden obige Änderungen der Frequenz mit zunehmender Anzahl Erwärmungs-/Abkühlphasen kleiner, wobei aus dem Abfall dieser Messwerte die Feuchte oder der Taupunkt ermittelt werden.
Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen einen kleinen mobilen
Taupunktsensor, der vorzugsweise als Referenzpunktsensor ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist eine mobile Energieversorgung wie insbesondere eine Batterie oder aufladbare Batterie und/oder ein Energieharvester vorgesehen, mit dem aus Umgebungsenergie - z.B. Wärme, Vibration, Strahlungsenergie, elektrische Felder usw. - Energie zum Betrieb des Sensors erzeugbar ist.
Vorzugsweise ist die Elektronikkomponente zur drahtlosen Kommunikation ausgebildet. Insbesondere weist sie wenigstens einen Sender zum drahtlosen Senden des Sensorsignals auf. Insbesondere ist ein Sendeempfänger zur bidirektionalen drahtlosen Kommunikation vorgesehen.
Ein besonderer Aspekt der hier dargestellten Ausführungsbeispiele betrifft die Erzeugung eines Referenzpunktes. Während im gesamten Stand der Technik möglichst lineare Kennlinien angestrebt sind, ist bei einer Alternative der Erfindung vorgesehen, ein Sensorelement zu verwenden, bei der die Kennlinie wenigstens eine Nichtlinearität, vorzugsweise wenigstens eine erste und eine zweite
Nichtlinearität aufweist. Die kann z.B. mit einem Schwingelement erzeugt werden, auf dem ein oder mehr Materialien aufgebracht sind, die bei Übergang über einen vorbestimmten Wert der Feuchte des Gases, das das Schwingelement umgibt, eine sprunghafte Masseänderung zeigt. Ein Beispiel hierfür ist ein poröses
Material, bei dem möglichst viele Poren eine im Wesentliche gleich Porengröße - Porendurchmesser - aufweisen. Ein großer Teil der Poren hat demnach eine gleiche Porengröße, insbesondere einen gleichen Porendurchmesser. Derartige Materialien werden hier als definiert poröse Materialien bezeichnet. Durch
Porenkondensation gibt es bei derartigen Materialien eine Stufe in der
Adsorpionskurve. Zu den theoretischen Grundlagen hierzu wird beispielsweise auf Schreiber, Anreas„Phasenverhalten reiner Stoffe in mesoporösen Silika- Materialien“, Doktorarbeit, Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften, 18. Juli 2002, https://depositonce.tu- berlin.de/bitstream/11303/867/1 /Dokument_27. pdf
verwiesen.
Vorzugsweise wird als Schwingelement eine Stimmgabel verwendet. Bei einer Ausgestaltung können auch mehr als eine Stimmgabel vorhanden sein.
Vorzugsweise sind die schwingenden Bereiche der einen oder mehreren
Stimmgabeln mit einem definiert porösen Material beschichtet.
Normalerweise kondensiert bei steigenden Feuchtegehalt immer mehr
Feuchtigkeit auf der Stimmgabel, was zu einer kontinuierlichen Massezunahme führt. Flat man dagegen ein Material, welches Poren mit einer genügend engen Porenweiteverteilung hat - das hier als definiert porös bezeichnete Material - kommt es bei einem bestimmten relativen Feuchtewert aufgrund der dann auftretenden Porenkondensation zu einer stufenartig ansteigenden Massezunahme. Hierzu kann man beispielsweise die Temperatur stetig
erniedrigen, so dass die relative Feuchte des Gases ständig zunimmt und bei einem Temperaturwert die Stufe zu beobachten ist. Diese Stufe kann man zum Bilden eines Referenzwertes heranziehen. Dadurch kann man den Sensor kalibrieren und die über eine Frequenzmessung erfolgende Massemessung zur Bestimmung der relativen Feuchtigkeit heranziehen.
Gemäß bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Taupunkt-Bestimmung vorgeschlagen. Die Vorrichtung kann auf einem Paar von Stimmgabeln basieren, eine porös und hydrophil beschichtet, bevorzugt monodispers partikulär beschichtet, die Referenz hydrophob, nicht porös beschichtet. Das Gehäuse kann, muss aber nicht, über z.B. ein
Peltierelement vorzugsweise aber über einen einfachen Strahler wie z.B. LED oder dergleichen heiz- oder kühlbar sein. Dies kann die Bestimmung des
Taupunktes innert kürzester Zeit erlauben, da Wasser im porös hydrophilen Teil kondensieren würde, und somit deutliche Massenänderungen hervorrufen, während eine hydrophobe, nicht hydrophile Referenz-Stimmgabel eine einfache Kompensation gegen Drift und Druck etc Schwankung erlauben würde.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Schwingelement, z.B. eine oder mehrere Stimmgabeln, in einem Gehäuse untergebracht, dessen thermische Masse massiv höher ist als der Stimmgabel, welche durch ihre Nähe zur Gehäusewand, und die eher langsame Gasströmung dann (fast) im thermischen Gleichgewicht mit dem Gehäuse ist, und so einfach auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden kann. Beim Aufheizen oder Runterkühlen wäre zudem die Stimmgabel immer „etwas hinterher“, damit könnte auch Wasser zuerst auf der Gehäuse-Innenseite vor-kondensiert werden, und dann durch ein rasches Aufheizen der Wand als Dampf auf die Stimmgabel übertragen werden. Damit wären auch
„Aufkonzentrierungen“ andenkbar.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Sensors hat eine Schwinggabel oder ein Q-basierter Sensorelement mit einem nicht-linearem Ansprechsprofil; bevorzugt ohne Peltier Element, optional mit einer Leuchtdiode zum periodischen, fast adiabatischen Hochheizen des Q. Eine LED hat gegenüber einem
Peltierelement als Heizelement eine massiv kleinere Ansprechzeit und einen massiv geringeren Energiebedarf.
Vorzugsweise führt die Anwendung eines Submicron-Materials auf dem
Schwingteil mit Porenkondensation zu einer sehr scharfen Ansprechlinie (wt% Wasser im Material) bei bestehenden Grenz-Feuchten führen. Insbesondere durch Wahl von zwei oder mehr solcher Porenkondensations-Materialien kann ein Annähern, Erreichen und Überschreiten eines Grenzwertes in Feuchtigkeit, oder auch Taupunkt, erfasst werden, ohne Kühlung. Bei Anwendung von einer Reihe Materialien liefert dies eine treppenartige Funktion mit einfacher Detektion und sehr einfacher„Wiederfindung“ der genauen Basiswerte, da nun die Stufen der Treppe verschieden hoch sein könnten. Dies ergibt ein inhärentes Wiederfinden gewisser Referenzgrößen, vor allem auch bei Einsatz in anspruchsvoller
Umgebung, wie z.B. in komplexe Gase, bei Druckänderungen; bei
Tempertursprüngen, bei häufiger Regeneration oder Reinigung.
Vorzugsweise hat das Sensorelement ein nicht-lineares Ansprechprofil.
Vorzugsweise sind mehrere„Zeolite“ auf einem Q oder einem Schwingelement vorgesehen. Eine weitere bevorzugte Idee betrifft die Verwendung einer Reihe von Porenkondensationsmaterialien in verschiedenen Mengen zur internen raschen Wiederfindung der Referenzwerte. Während praktisch alle bisher bekannten Taupunkt Sensoren ein Kühlelement aufweisen, wird in bevorzugter Ausgestaltung eine LED verwendet. Bei einer weiteren Idee ist eine gaspermeable
wasserabweisende Membran an der Sensoröffnung vorgesehen.
Alle diese Ideen zielen einzeln oder in beliebiger Kombination auf tiefen
Energie/Strom bedarf; Erfassen eines kritischen Feuchtebereichs, Arbeiten in schwieriger Umgebung, Annäherung an einen bestimmten Punkt, Überschreiten des Punktes und Robustheit.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung des Taupunktes in einem Gas, umfassend ein schwingendes Element, ein oder mehrere poröse Materialien mit definierter Porenweite und optional einem Heizelement oder einem IR oder Licht emittierenden Element. Vorzgusweise zeichnet sich der Sensor durch ein nicht-lineares Anspruchsverhalten auf
Änderungen der Feuchte im Gas aus, wobei beim Erreichen einer bestimmten Temperatur bei einer bestimmten Feuchte oder Taupunktes an dem Material die Masse sprunghaft abnimmt. Die Verwendung unterschiedlicher Mengen an Materialien auf dem Sensor erlaubt eine eindeutige Zuordnung der absoluten Feuchte, da die sprunghaften Massenänderungen eindeutig einer bestimmten Feuchte zugeordnet werden kann. Weiter wird ein Messverfahren zur Bestimmung des Taupunktes und der Feuchte beschrieben, welches sich durch Robustheit und tiefen Energiebedarf auszeichnet.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung schaffen einen kleinen mobilen Taupunktssensor.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen einen Referenzpunktsensor, dessen Kennlinie wenigstens eine Nichtlinearität aufweist, wobei der
Rerferenzpunktsensor dazu eingerichtet ist, einen Referenzpunkt aufgrund der wenigstens einen Nichtlinearität zu bestimmen.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung schaffen einen Taupunktsensor mit geringem Energiebedarf.
Praktisch bei allen bisher eingesetzten Feuchtesensoren ist eine möglichst lineare Kennlinie erwünscht. Gerade bei Mikrowaagen-Sensoren, bei denen
Massenzunahmen über ein Schwingelement erfasst werden, gibt es häufig Depositionen auf dem Schwingelement, die zu einer Veränderung des
Schwingverhaltens und somit zu einer Drift führen. Es ist daher häufig eine erneute Kalibrierung oder eine Behandlung des Sensors, bis hin zur Erneuerung notwendig. Ausführungsformen der Erfindung zielen dagegen darauf ab, gezielt wenigstens eine Nichtlinearität in der Kennlinie zu erzeugen und diese wenigstens eine Nichtlinearität zur Referenzpunkterzeugung und zur Kalibrierung
heranzuziehen. Somit ist der Sensor auch in Umgebungen, in denen mit erhöhten Depositionen zu rechnen ist, lange und genau nutzbar. Vorzugsweise wird der Taupunktsensor zum Erfassen eines Grenzwerts oder eines Schwellwerts verwendet, um ein Warnsignal zu erzeugen. Beispielsweise soll der Sensor in gasbefüllten Anlagen, wie z.B. in elektrischen
Hochspannungsanlagen eingesetzt werden. Ausgestaltungen der Erfindung betreffen somit auch eine gasbefüllte Anlage oder Hochspannungsanlage mit einem Sensor gemäß einer der voranstehend genannten Ausführungen.
Bisher wird in Hochspannungsanlagen SF6 als Füllgas verwendet, um
Überspannungen zu vermeiden. SF6 ist ein klimaschädliches Gas, das zudem als Schadgas eingestuft wird. Es wird daher vermehrt nach Alternativen zum Ersatz von SF6 gesucht. Viele Ersatzgase beruhen auf Ketonen. Die Ersatzgase können rekombinieren und sich verbrauchen. Dieser Effekt wird unter feuchten
Bedingungen verstärkt. Um daher den Zustand des Gases in der Schaltanlage zu überwachen, ist eine Überwachung des Taupunktes hilfreich.
Eine andere oder zusätzliche Verwendungsmöglichkeit des Sensors neben einer Schwellwerterfassung zum Erzeugen von Schaltkriterien oder zum Erzeugen von Warnsignalen ist das Zählen von Ereignissen, z.B. wie oft der Taupunkt einen bestimmten Schwellwert über- oder untersteigt.
Eine weitere Nutzungsmöglichkeit ist die Erfassung von Feuchte in einem Gas.
Beispielsweise lässt sich der Wassergehalt in einer petrochemischen Anlage überwachen.
Vorzugsweise werden durch die Verwendung mehrere unterschiedlicher
Materialien auf dem Schwingelement mehrere Nichtlinearitäten, z.B. mehrere Stufen, in der Kennlinie erzeugt. Dies erlaubt das Auffinden eines oder mehrere Referenzwerte, indem man in der Kennlinie die eine oder mehrere Stufe sucht.
Vorzugsweise weist die Kennlinie eine erste und eine zweite Nichtlinearität auf. das Verhältnis der Stufen zueinander ist ein auch unter rauen
Umgebungsbedingungen sehr robuster Wert. Demnach ist eine Ausführungsform des Sensors dazu ausgebildet, das Verhältnis eines ersten Sprungs in der Kennlinie zu einem zweiten Sprung in der Kennlinie zu überwachen. Verändert sich dieses Verhältnis (z.B. über einen bestimmte Toleranz hinaus) deutet dies auf einen Fehler hin. Der Sensor kann demnach zur Ausgabe eines entsprechenden Fehlersignals eingerichtet sein.
Zur Taupunktsmessung weist der Sensor vorzugsweise wenigstens eine
Temperaturerfassungseinrichtung zur Erfassung einer Temperatur und/oder ein Temperierelement zum Einstellen und/oder Verändern der Temperatur des
Schwingelements auf. Vorzugsweise wird hierzu ein einfaches Strahlungselement, wie insbesondere ein Infrarot oder Licht emittierendes Element, vorzugsweise ausgebildet als LED eingesetzt.
Das Auffinden der Stufen kann z.B. über Veränderung der Temperatur erfolgen.
Die Nichtlinearitäten werden vorzugsweise über Porenkondensation erzeugt.
Hierzu werden vorzugsweise poröse Materialien mit definierten Porengrößen eingesetzt.
Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines
Sensorelements für einen Feuchte-Sensor zum Messen eines
Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas, umfassend wenigstens ein
Schwingelement und wenigstens ein erstes Material und ein zweites Material auf dem Schwingelement,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform des
Sensorelements;
Fig. 3a eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des Sensorelements;
Fig. 3b eine Seitenansicht des Sensorelements von Fig. 3a; Fig. 4a eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des Sensorelements;
Fig. 4b eine Seitenansicht des Sensorelements von Fig. 4a;
Fig. 5a eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform des Sensorelements;
Fig. 5b eine Seitenansicht des Sensorelements von Fig. 5a;
Fig. 6a eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform des Sensorelements;
Fig. 6b eine Seitenansicht des Sensorelements von Fig. 6a;
Fig. 7 ein Diagramm, welches ein Frequenzsignal eines Schwingelements
gemäß einer der Ausführungsformen von Fig. 1 bis 6b gemeinsam mit einer Spannung zum Ansteuern eines Fleizelements zum Fleizen des Schwingelements aufgetragen über der Zeit zeigt;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Feuchte-
Sensors mit einem Gehäuse und einer Gehäuseöffnung zeigt, in dessen Inneren eines der Sensorelement der Fig. 1 bis 6b untergebracht ist;
Fig. 9a eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des
Feuchte-Sensors, bei dem die Öffnung durch eine gaspermeable, aber wasserabweisende Membran verschlossen ist;
Fig. 9b einen Schnitt durch einen Bereich der Öffnung des Sensors von Fig. 8a; und
Fig. 10 einen Schnitt durch ein Gehäuse einer weiteren Ausführungsform des Feuchte-Sensors; und
Fig. 11 eine lineare Kennlinie eines Feuchtesensors nach dem Stand der Technik im Vergleich zu einer Kennlinie mit wenigstens einer Nichtlinearität einer Ausführungsform des Feuchtesensors. In den Fig. 1 bis 6b sind unterschiedliche Ausführungsformen eines Sensorelements 10 für einen Feuchte-Sensor 12 gezeigt. Das Sensorelement 12 hat wenigstens ein Schwingelement 14, das zum Schwingen angeregt werden kann. Auf dem wenigstens einen Schwingelement 14 ist ein erstes Material 16 und ein zweites Material 18 vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens eines der Materialien 16, 18 derart ausgebildet, dass sich seine Masse bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert.
In den Fig. 8 bis 10 sind unterschiedliche Ausführungsformen für einen Feuchte- Sensor 12 dargestellt, der ein Gehäuse 500 mit einer Öffnung 510 aufweist. In dem Gehäuse 500 ist wenigstens ein Schwingelement, vorzugsweise wenigstens ein Schwingelement 14 der in den Fig. 1 bis 6b gezeigten Art, untergebracht. Weiter hat der Feuchte-Sensor 12 ein in den Figuren nicht näher dargestelltes Elektronikbauteil und ein in dem Gehäuse 500 untergebrachtes Temperierelement 20 zum Temperieren des Schwingelements 14. Die Öffnung 510 kann mit einer gaspermeablen Membran verschlossen sein. Das Temperierelement 20 ist vorzugsweise als Strahlungselement 560 zum Bestrahlen des Schwingelements 14 mit Wärme- oder Infrarot-Strahlung und/oder mit Licht ausgebildet.
Bei einer Ausgestaltung des Feuchte-Sensors 12 ist das wenigstens eine
Schwingelement 14 an unterschiedlichen Bereichen mit Materialien mit
unterschiedlicher Benetzbarkeit beschichtet. Dies kann auch derart geschehen, dass an einem Schwingelement oder einem Bereich eine Beschichtung mit hydrophilen Material und an einem anderen Schwingelement oder einem anderen Bereich mit hydrophober Beschichtung vorgesehen ist.
Bei der Ausgestaltung des Sensorelements 10 nach Fig. 1 ist als Schwingelement 14 ein Quarz-Schwingelement 100 mit zwei Trägern 101 und 102 vorgesehen, welche gleichzeitig als Elektroden dienen. Eine Metallelektrode 110 ist in dieser Ansicht ebenfalls ersichtlich. Das Quarz-Schwingelement 100 enthält als erstes und zweites Material 16, 18 zwei definiert poröse Materialien 151 und 152, welche auf dem Quarz-Schwingelement 100 nebeneinander mit (oder auch ohne) Abstand zueinander angebracht sind. Auch eine konzentrische Anordnung (nicht dargestellt), bei der das erste Material 16 das zweite Material 18 z.B. ringförmig vollständig oder auch nur teilweise umgibt, ist denkbar.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform für das Sensorelement 10 mit dem Quarz-Schwingelement 100 als Schwingelement 14, wobei wiederum als erstes und zweites Material 16, 18 mit zwei definiert poröse Materialien 161 und 162 vorgesehen sind, welche hier allerdings teilweise übereinander auf dem Quarz- Schwingelement 100 angebracht sind.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 10, wobei als Schwingelement 14 eine Quarz-Stimmgabel 200 in Aufsicht (Fig. 3a) und in Seitenansicht (Fig. 3b) mit Flalterung 202 (links) und Schwingbereich 204 vorgesehen ist. Beide Arme 210, 220 der Schwinggabel 200 sind mit
entsprechenden Elektroden beschichtet, welche durch geeignete Lotstellen 211 und 221 mit der Halterung 202 verbunden sind. Zwei definiert poröse Materialien 301 und 302 sind als erstes und zweites Material 16, 18 auf dem gleichen Arm 220 der Quarz-Stimmgabel 200 angebracht.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 10 mit der Quarz- Stimmgabel 200 mit zwei definiert porösen Materialien 303 und 304, welche auf den beiden Armen 210 und 220 aufgebracht sind.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 10 mit der Quarz- Stimmgabel 200 mit zwei definiert porösen Materialien 305 und 306, welche auf dem gleichen Arm 220 überlappend angebracht sind.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorelements 10 mit der Quarz- Stimmgabel 200 mit zwei definiert porösen Materialien 307 und 308, welche auf dem gleichen Arm angebracht sind. Ein erstes Material 307 ist auf der Vorderseite angebracht, das zweite Material 308 auf der Rückseite.
Figur 8 zeigt eine Ausführungsform des Feuchte-Sensors 12 mit dem Gehäuse 500 mit der Öffnung 510, durch welche die Umgebung mit dem beschichteten Schwingelement 14, insbesondere mit dem Quarz 100, 200 (in Fig. 8 nicht dargestellt, im Gehäuse) interagieren kann.
Fig. 9 zeigt das gleiche Gehäuse 500 mit einer über der Öffnung 510 (verdeckt, nicht sichtbar) aufgebrachten Membran 550. Nebst der Seitenansicht (Fig. 9a, links) ist ein Querschnitt durch die Öffnung 510 mit darüber aufgespannter
Membran 550 dargestellt (Fig. 9b, rechts).
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Feuchte-Sensors 12 mit dem Gehäuse 500 mit der Quarz-Stimmgabel 200 und eine der oben erwähnten Beschichtungen (der Übersichtlichkeit halber nicht weiter im Detail dargestellt), der Öffnung 510 und einem Licht- oder Infrarot emittierenden Element 560.
Es ist offensichtlich, dass andere Varianten verwendet werden können. Je nach Ausführungsform können mehr als zwei Materialien 16, 18 verwendet werden oder diese Materialien 16, 18 auf der gleichen Seite oder dem gleichen Schwingarm 210, 220, oder auf unterschiedlichen Schwingarmen 210, 220 und
gegenüberliegenden Seiten des Schwingelementes 14 aufgebracht sein.
Als Schwingelemente 14 sind eine Vielzahl von Systemen geeignet welche dem Fachmann bekannt sind und oben erwähnt worden sind. Bevorzugte Schwingende Elemente 14 sind auf Basis von Schwing-Quarzen oder Quarz-Schwinggabeln aufgebaut und beinhalten mindestens ein piezoelektrisches Material und mindestens zwei Elektroden. Geeignete Schwingelemente 14 sind daher auch die Quarz-Schwingkristalle, wie diese in Quarz-Mikrowaagen Verwendung finden.
Definiert poröse Materialien 151-162, 301-308 existieren aus einer breiten Vielfalt von Materialien und sind dadurch charakterisiert, dass die Materialien über Poren mit einem eng definierten Durchmesser verfügen. Gemäß der International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC, wird unterschieden zwischen micro- (Porendurchmesser kleiner als 2 nm), meso- (Porendurchmesser zwischen 2 and 50 nm) und makroporösen (Porendurchmesser grösser als 50 nm) Materialien. Die Materialklasse der Zeolite und der Metal-Organischen Framework (MOF) Materialien gehört größtenteils zu den microporösen Materialien.
Die Materialklasse der MCM-41 (Mobil Composition of Matter No. 41 ) und SBA-15 Materialien umfasst mesoporöse Materialien, wobei durch spezielle Wahl der Synthesebedingungen die Porengrösse eingestellt werden kann.
Allgemein sind poröse Gläser mit Poren von 2 bis 1000 nm durch eine Vielfalt von Verfahren herstellbar, wobei die Extraktion von Alkaliborosilikatgläsern nach einer Phasentrennung wohl das bekannteste Verfahren darstellt. Solche Gläser sind unter dem Namen Vycor Gläser kommerziell erhältlich.
Die Messung von Porendurchmesser ist dem Fachmann hinreichend bekannt und kann entweder direkt durch geeignete mikroskopische Methoden wie
Elektronenmikroskopie erfolgen, oder indirekt durch Bestimmen der spezifischen Oberfläche eines Materials durch eine Absorptionsmethode, und Berechnen des Porendurchmessers. Ein oft verwendetes Verfahren ist die Absorption von
Stickstoff (N2) bei -196 °C, der sogenannten Brunauer-Emmett-Teller (BET) Methode. Dazu können Geräte wie ein Tristar oder Gemini verwendet werden, wie diese durch die Firma Mikromeritics kommerziell vertrieben werden. Damit kann die Spezifische Oberfläche der Probe bestimmt werden, und der mittlere
Porendurchmesser sowie die Porengrössenverteilung errechnet werden. Das Verfahren ist dem Fachmann hinreichend bekannt. Für weitere Einzelheiten zu den porösen Materialien wird auch auf die oben genannte Doktorarbeit verwiesen.
Zur Unterscheidung von porösen Materialien und definiert porösen Materialien wird die sogenannte Porengrößenverteilung herangezogen: Dabei wird der Porenvolumenanteil (y-Achse; Einheiten: cm3/g pro nm oder Angström) gegen den Porendurchmesser (x-Achse; Einheiten: nm oder Angström) aufgetragen. Ein Material ist definiert porös, falls folgende beiden Bedingungen zutreffen:
Die Breite des Peaks in obiger Darstellung auf halber Flöhe des Peaks (Englisch: Full width at half height; Einheiten: nm oder Angström) ist kleiner als ein Viertel des mittleren Porendurchmessers (Einheiten: nm oder Angström), ermittelt durch die BET Methode. Das Porenvolumen (Einheiten: cm3/g) innerhalb der Breite des Peaks (Integral der Porenvolumenanteile vom unteren Ende der Breite des Peaks auf halber Höhe zum oberen Ende der Breite des Peaks auf halber Höhe) ist mindestens ein Fünftel (20%) des gesamten Porenvolumens (Einheiten: cm3/g) des Materials.
Für die Ermittlung des gesamten Porenvolumens des Materials werden Poren von Null bis zum 10-fachen des mittleren Porendurchmessers berücksichtigt. Dazu wird in der obigen Darstellung der Porengrößenverteilung das Integral der
Porenvolumenanteile von Null bis zum 10-fachen des mittleren
Porendurchmessers ermittelt.
Das erste Material 16 und das zweite Material 18 können sich bei den definiert porösen Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 dabei durch den Porendurchmesser unterscheiden, dann liegt eine reine
Unterscheidung durch den Porendurchmesser bei gleicher
Materialzusammensetzung vor. Alternativ oder zusätzlich können zwei definiert poröse Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 durch die Wahl der Substanzen, aus denen sie aufgebaut sind, oder die
Beschichtung der Poreninnenseite definiert sein. In diesen Fällen kann der
Porendurchmesser von verschiedenen Materialien 16, 18; 151 , 152; 161 , 162;
301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 gleich sein, sofern sich diese Materialien 16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 durch unterschiedliche Benetzbarkeit unterscheiden. Solche unterschiedlichen
Benetzbarkeiten sind dem Fachmann bekannt, und werden als hydrophile oder hydrophobe Materialien 16, 18 bezeichnet. Die Benetzbarkeit wird oft durch den sogenannten Kontaktwinkel quantitativ erfasst. Dazu kommen unter anderem Geräte zum Einsatz wie das DAS 100 der Firma Krüss, oder das Gerät Theta der Firma Biolin Scientific.
Zwei oder mehr unterschiedliche Materialien 16, 18, insbesondere zwei oder mehr definiert poröse Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 können auf dem Schwingelement 14 in zahlreichen Anordnungen und variablen Mengen aufgebracht werden. Das Aufbringen der Materialien 16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 kann in einem oder mehreren Prozessschritten erfolgen, und umfasst je nach spezifischer Ausführung auch weitere Verfahrensschritte.
Geeignete Methoden zum Aufbringen der insbesondere definiert porösen
Materialien 16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 umfassen Spin-coating von geeignten Dispersionen oder Dispersionen von Vorläufermaterialien. Die Schichten werden bevorzugt durch Erwärmen verfestigt, oder in einen zusätzlichen Arbeitsschritt in die eigenliche Anwendungsform gebracht. Ebenfalls geeignete Aufbringmethoden sind die Beschichtung durch Gasphasen- oder Plasmabeschichtung, wobei typischerweise zuerst eine
Vorläufermaterial-Schicht aufgebracht wird, und später separat durch einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt die eigentliche Anwendungsform des definiert porösen Materials 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 gebildet wird. Optional können zur Verbesserung der Haftung auch Hilfsmittel verwendet werden, welche dem Fachmann bekannt sind, und Binder oder Klebstoffe beinhalten.
Besonders geeignete Methoden verwenden die Deposition eines oder mehreren Tropfen einer Dispersion der Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 oder Dispersionen der Vorläufermaterialien auf dem
Schwingelement 14, wobei die einzelnen Tropfen an der gleichen oder
unterschiedlichen Stellen auf dem Schwingelement 14 aufgebracht werden können.
In einer einfachen Ausführungsform, wie insbesondere in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt, werden zwei oder mehrere Materialien 151 , 152; 301 , 302
nebeneinander auf das Schwingelement 14 aufgebracht, wobei sich die Bereiche mit Beschichtungen berühren können, oder sogar überlappen, oder durch nicht- beschichtete Bereiche klar getrennt sind. Eine solche Anordnung ist zum Beispiel in Fig. 1 gezeigt, wo die Materialien 151 und 152 nebeneinander auf dem
Schwingelement 14 angebracht sind. In einer anderen einfachen Ausführungsform werden zwei oder mehr Materialien 161 , 162; 305, 306 übereinander auf das Schwingelement 14 aufgebracht. Dabei können zwischen den einzelnen Schritten auch zusätzliche Prozesse angewendet werden, wie zum Beispiel das Hochheizen des Schwingelementes, oder die Anwendung einer Extraktionslösung zur Überführung eines Vorläufermaterials in ein definiert poröses Material. Eine solche Anordnung ist in Fig. 2 oder Fig. 5 gezeigt. Die beiden Materialien 161 , 162; 305, 306 sind dabei übereinander angeordnet.
Bei der Verwendung von überlappenden Schichten oder übereinander liegenden Schichten von Materialien 161 , 162; 305, 306 ist es von Vorteil, die Schicht mit dem kleineren Porendurchmesser zuerst auf dem Schwingkörper des
Schwingelements 14 abzuscheiden. Für die Anordnung welche zum Beispiel in Fig. 2 gezeigt wird, ist die bevorzugte Wahl der Materialien 161 und 162 so, dass das näher am Schwingelement 14 angebrachte Material 161 einen kleineren Porendurchmesser hat, als das darüber angebrachte Material 162.
Bei der Verwendung von verschiedenen Materialien mit ähnlichem
Porendurchmesser ist es von Vorteil, das stärker hydrophile Material vorher auf dem Schwingkörper des Schwingelements 14 abzuscheiden.
Die Anordnung der einzelnen beschichteten Bereiche des Schwingkörpers des Schwingelements 14 kann symmetrisch oder asymmetrisch bezüglich der Form des Schwingkörpers erfolgen.
Die Menge und Größe der einzelnen beschichteten Bereiche kann sich stark unterscheiden.
Die Höhe, Form und das Ausmaß der beschichteten Bereiche können sich stark unterscheiden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mengen an verwendeten definiert porösen Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 unterschiedlich. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mengen an verwendeten
Materialien so gewählt, dass das Porenvolumen, welches durch Wasser gefüllt werden kann, sich deutlich voneinander unterscheidet.
In einer speziell bevorzugten Ausführungsform ist das Porenvolumen des
Materials mit dem kleinsten Porendurchmesser deutlich kleiner als das
Porenvolumen des Materials mit einem grösseren Porendurchmesser.
In einer bevorzugten Ausführungsform und bei Verwendung vom Materialien mit ähnlichem Porendurchmesser ist das Porenvolumen des hydrophileren Materials deutlich kleiner als das Porenvolumen des weniger hydrophilen Materials.
Bevorzugt wird hier das Material in zwei Schritten hergestellt, wobei zuerst ein Vorläufermaterial auf den Schwingkörper des Schwingelements 14 aufgebracht wird (Schritt 1 ) und dann ein Teil des Vorläufermaterials durch einen weiteren Prozessschritt in ein Material mit anderer Benetzbarkeit überführt wird.
Besonders bevorzugte Materialien sind hier Silikat-basierte mikro- oder
mesoporöse Materialien und makroporöse Gläser, welche zu einem Teil des Materials durch einen Oberflächenmodifikationsschritt in ein Material mit anderer Benetzbarkeit überführt werden.
Geeignete Reagenzien zur Veränderung der Benetzbarkeit der Poren sind hinreichend bekannt, und umfassen die Klasse der Organosilane, Organoborane, Oberflächenaktiven Substanzen, amphiphile Polymere und zahlreiche anderen Materialien.
Besonders geeignete Gruppen von Materialien zur Veränderung der Benetzbarkeit sind Trimethoxysilane welche zum Beispiel durch die Firma Gelest kommerziell verfügbar sind. Eine geeignete Kombination von mesoporösen Materialien basiert auf definiert porösen Silikatmaterialien wie MCM41 und derivatisierten Organo- trimethoxysilanenen.
Geeignete Organosilane sind Alkyl- und Aryl-Trimethoxysilane zur Senkung der Benetzbarkeit der definiert porösen Materialien gegenüber Wasser.
Geeignete Organosilane mit Amin, Ammonium, Carboxy-, Sulfonat-, Phosphonat-, Polyglykol-, Polyglycerol- oder Polyacrylat-Funktionalität sind geeignet zur
Verbesserung der Benetzbarkeit von definiert porösen Materialien.
Die Verwendung von ionischen Organosilanen oder Organosilanen, die eine Salzbildung ermöglichen, kann in bevorzugten Varianten verwendet werden, um die Benetzbarkeit zu verändern.
Die Verwendung von Ionischen Organosilanen ist bei Sensoren mit schnellem Ansprechverhalten auf Änderungen der Feuchte oder des Taupunktes von Vorteil.
Bei Verwendung von drei und mehr Materialien ist es von Vorteil, wenn die
Verhältnisse der Materialmengen der einzelnen Materialien unterschiedlich sind.
Bei Verwendung von drei und mehr Materialien ist es von Vorteil, wenn die Menge des Porenvolumens des Materials mit dem kleinsten Porendurchmesser am kleinsten ist.
Bei Verwendung von drei und mehr Materialien und bei Verwendung vom
Materialien mit ähnlichem Porendurchmesser ist es von Vorteil, wenn die Menge des Porenvolumens des am stärksten hydrophilen Materials am kleinsten ist.
Optionale Fleizelemente sind dem Fachmann bekannt, und umfassen unter anderem resistive Fleizelemente auf der Basis von Platin.
Optional kann das Schwingelement durch ein Infrarot oder Licht emitierendes Element 560 periodisch geheizt werden. Dies ist beispielsweise in Fig. 7 dargestellt, wobei im unteren Bereich eine an das lichtemittierende Element anzulegende Spannung und im oberen Bereich ein typisches Frequenzsignal des Schwingelements 14 dargestellt ist.
Die Verwendung eines Infrarot oder Licht emitierenden Elements 560 ist in bestimmten Ausführungsformen von Vorteil.
Die Länge der Heizphasen, die Leistung und die Frequenz des Heizintervalle hängt vom Anwendungsfeld des Sensors ab, und kann optional über die Elektronik angepasst werden.
Die Länge der Bestrahlung, die Leistung und die Häufigkeit der Bestrahlung hängt vom Anwendungsfeld des Sensors ab und kann optional über die Elektronik angepasst werden.
Die Verwendung eines Licht emitierenden Elements 560 in einem partiell transparenten Gehäuse 500, oder einem Gehäuse 500 mit einer Öffnung 510 kann zusätzlich dazu verwendet werden, um einem Anwender Information über den Betrieb oder Betriebszustand des Sensors 12 zu liefern.
Die Parameter der Bestrahlung oder Heizung des Schwingelementes 14 werden in einer bevorzugten Ausführung an die vorher ermittelten Messwerte des Sensors 12 angepasst.
Die Dauer und Intensität der Bestrahlung des Schwingelementes 14 ist bei sich rasch ändernden Feuchtebedingungen vorzugsweise höher, als bei
vergleichsweise konstanten Feuchtebedingungen.
Beim Erfassen eines Anstiegs der relativen Feuchte in einer Gasmischung ist die Dauer und Intensität der Bestrahlung des Schwingelementes 14 kleiner als bei einem Abfall der relativen Feuchte in einer Gasmischung.
Die Wahl der definiert porösen Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308, der Anzahl der verwendeten Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 und die Wahl eines Heizelementes oder eines Infrarot oder Licht emittierenden Elementes 560 hängt vom
Anwendungsbereich des Sensors 12 ab.
Sensoren 12 der hier beschriebenen Art mit wenigstens einem Material, das aufgrund seiner Porenverteilung oder aufgrund anderer Eigenschaften für wenigstens eine Nichtlinearität in dem Ansprechverhalten sorg, sind speziell geeignet, um den Nullpunkt oder einen Referenzpunkt zuverlässig wiederzufinden. Solche Sensoren 12 sind speziell zur langfristigen Überwachung geeignet, da sie weniger oder nicht anfällig auf Drift des Sensorsignales sind.
Erwärmen oder Bestrahlen des Schwingelementes 14 führt zu einem oder mehreren nacheinander folgenden Änderungen des Schwingverhaltens des Schwingelementes 14.
Änderungen des Schwingverhaltens des Schwingelementes 14 werden durch die Elektronik ausgelesen. Die dazu verwendeten Verfahren, Berechnungs- und Auswertemethoden, sowie Schaltungen sind dem Fachmann, z.B. aus dem oben zitierten Stand der Technik bekannt. In geeigneten Schwingelementen 14 ist das geänderte Schwingverhalten einfach in eine Massenänderung des
Schwingelementes 14 umrechenbar.
Als Resultat eines Erwärmens oder Bestrahlens liefert die Elektronik einen oder mehrere nacheinander folgende Massenänderungen des Schwingelementes 14, wobei die Massenänderung nicht stetig erfolgt, sondern sprunghaft.
In einer bevorzugten Ausführung wird das Schwingverhalten des
Schwingelementes 14 dahingehend ausgewertet, dass Bereiche unterschieden werden, in denen keine sprunghafte Änderung der Masse erfolgt (stetige
Bereiche) sowie Bereiche, in denen eine sprunghafte Änderung der Masse erfolgt (sprunghafte Bereiche).
Die Unterscheidung in diese beiden Bereiche erlaubt eine vereinfachte
Datenanalyse des Sensorsignals, indem stetige Bereiche dazu verwendet werden, eine Basislinienkorrektur (lineare Drift) zu definieren. Nach Abzug der
Basislinienkorrektur sind die Beginn- und Abschlusspunkte eines sprunghaften Bereiches schärfer definiert und damit das Messsignal genauer.
Die relative Grösse von zwei oder mehreren sprunghaften Bereichen hängt von den verwendeten Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 auf dem Schwingelement 14 ab.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird Information zu den Verhältnissen der Porenvolumen der verwendeten Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 in der Auswertung der Rohdaten der Elektronik verwendet, um die Signalqualität zu verbessern.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Reihe von Materialien in unterschiedlichen Mengen mit deutlich unterschiedlichen Porenvolumen verwendet. Die Reihe von sprunghaften Bereichen aus den Rohdaten kann verbessert ausgewertet werden, da die relativen Massenänderungen (Höhe der Sprünge) bekannt sind, und immer in der gleichen Reihenfolge erfolgen.
Zur Verdeutlichung oder zur Illustration sei hier erwähnt, dass ein Sensor 12 der hier beschriebenen Art enthaltend ein Porenvolumen 1 eines ersten definiert porösen Materials 1 (Beispiele: 151 , 161 , 301 , 303, 305, 307) und ein
Porenvolumen 2 eines zweiten definiert porösen Materials 2 (Beispiele 152, 162, 302, 304, 306, 308) und der Bedingungen
(i) (Porenvolumen 2) = 3 x (Porenvolumen 1 )
(ii) (Porendurchmesser von Material 1 ) < (Porendurchmesser von Material 2) bei einem Anstieg der relativen Feuchte in einem zuerst trockenen Gasvolumen zuerst einen kleinen Sprung zeigen wird, und dann später (bei höherer Feuchte) einen weiteren, größeren Sprung in der Masse (gemessen als sprunghafte Änderung der Frequenz). Die errechnete Massenänderung aus den jeweiligen sprunghaften Änderungen der Frequenz sind dabei für einen solchen Sensor 12 in guter Näherung gegeben durch:
(Massenänderung 2) = k * 3 * (Massenänderung 1). Die Qualität dieser Korrelation lässt sich dabei durch den Faktor„k“ ausdrücken. Der Faktor„k“ ist für gleiche Materialien mit unterschiedlichem Porendurchmesser etwa 1. Für Materialien mit unterschiedlicher Benetzbarkeit können die
Abweichungen des Wertes von k = 1 auch grösser sein, und einige % bis einige 10% betragen. Dies ist aber in der Praxis nicht von speziellem Nachteil, da dieser Faktor in die Berechnungsmethode mit berücksichtigt werden kann. Von
praktischem Nutzen ist die Tatsache, dass dieser Wert für den Sensor 12 konstant ist, das heißt, der Wert unterliegt wenig oder keiner nennenswerter Drift.
Da die relative Flöhe der beiden sprunghaften Änderungen also im Voraus bekannt ist, kann die Auswertung der Rohdaten eines Sensors 12 selbst bei Daten mit hohem Rauschen zuverlässig erfolgen. Entsprechende Algorithmen sind bekannt und z.B. in der Telekommunikation und Informatik oft verwendet.
Die Verwendung von zahlreichen Materialien führt damit also zu Reihen von sprunghaften Bereiche, welche jeder einzeln durch seine charakteristische Größe erfasst werden kann. Dadurch kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Sensor 12 auch nur kurzzeitig erwärmt oder bestrahlt werden. Damit werden nur ein Teil der sprunghaften Bereiche sichtbar gemacht, und das Bestrahlen oder Fleizen erfolgt effizienter, als wenn alle Bereiche aktiviert werden würden.
Die Verwendung solcher Reihen von Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302;
303, 304; 305, 306; 307, 308 erlaubt die Fierstellung von Sensoren 12 mit einem breiten Bereich von Taupunkttemperaturen oder Feuchtegehalten.
Die Verwendung von wenigen Materialien erlaubt die einfache Fierstellung von Sensoren 12 zur Überwachung eines Sollwertes, oder Alarm- oder Grenzwertes.
Der Energiebedarf des Sensors 12 hängt von den Ansprüchen an den Sensor ab, dem Feuchtebereich, der Messfrequenz und anderen Faktoren.
Bevorzugte Sensoren 12 zur Überwachung eines großen Gasvolumens mit sehr langsamen Änderungen des Feuchtegehaltes werden periodisch erwärmt, oder bestrahlt, und können so den Nullpunkt oder Referenzpunkt wiederfinden, und sind so gegen langsame Drift des Sensorsignales besser geschützt. Solche Sensoren 12 haben eine sehr tiefe Energieaufnahme, und sind speziell geeignet für schwer zugängliche Stellen, oder bei Sensoren 12, die über Solarzellen oder Batterie betrieben werden, oder Sensoren 12 welche vollständig in einem anderen Gerät oder Raum eingeschlossen sind. Dies ist speziell von Vorteil falls eine Umgebung speziell sauber sein soll, oder unzugänglich wegen toxischen
Komponenten oder Feuer- oder Explosionsgefahr. Letztere Bereiche sind speziell interessant, da unter sogenannten Ex Bedingungen die Verwendung von elektrischen Leitungen bevorzugt vermieden wird.
Sensoren 12 zur Überwachung eines Grenzwertes werden typischerweise eingesetzt, um einen Anstieg der Feuchte in einer Umgebung zu erfassen, und werden Überwachungssensoren genannt. In einer bevorzugten Ausführung wird dabei der Sensor 12 nur periodisch in Schwingung versetzt, und anhand des Schwingungsverhaltens entschieden, ob keine Anstieg der Feuchte stattgefunden hat, oder ob ein Feuchteanstieg erfolgt. Im ersten Fall kann durch einen
Erwärmungs-/Bestrahlungsschritt und Abwesenheit eines sprunghaften Bereiches das Resultat bestätigt werden (kein Anstieg der Feuchte). Im Falle eines
Feuchteanstieges kann dies durch einen Erwärmungs-/Bestrahlungsschritt und Detektion eines sprunghaften Bereichs bestätigt werden. Der zeitliche Verlauf des Schwingverhaltens nach Abbruch des Erwärmungs-/Bestrahlungsschrittes kann zudem verwendet werden, um die Größe des Feuchtigkeitsanstieges zu erfassen.
Bevorzugte Überwachungssensoren haben einen sehr tiefen Strombedarf, und können bei Ansprechen (Detektion eines Überschreiten eines Grenzwertes) zudem einen Hinweis auf das Ausmaß des Überschreitens des Grenzwertes liefern. Bevorzugte Überwachungssensoren haben daher eine bevorzugte
Anordnung der Öffnung 510 im Gehäuse 500 und des Wärme- oder
Bestrahlungselementes 560.
Bevorzugte Sensoren 12 zur Überwachung von sich rasch ändernden
Feuchtebedingungen beinhalten bevorzugt einen Reihe von Materialien und werden vergleichsmäßig oft erwärmt oder bestrahlt. Das Gehäuse 500 und die Anordnung des Schwingelementes 14 und des Heiz- oder Bestrahlungselementes 560 werden in bevorzugten Ausführungsformen des Sensors 12 so gewählt, dass ein Teil des Gehäuses 500 während dem Heiz- oder Bestrahlungsschritt als Kondensationsfläche dient. Dieser Teil des Gehäuses 500 ist bevorzugterweise nahe an mindestens einem der definiert porösen Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 angebracht, bevorzugterweise in einer Anordnung von parallelen Flächen, wobei eine Fläche durch das Schwingelement 14 definiert wird und die zweite Fläche durch den entsprechenden Teil des Gehäuses 500.
In dieser Ausführungsform des Sensors 12 ist das Gehäuse 500 nicht nur ein Schutz für das Schwingelement 14, sondern dient als thermisch träges Element und temporärer Kühler, welcher Wasserdampf aus dem definiert porösen Material 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 abkühlen kann, und in der Form von Kondensat temporär fixiert.
Nach Abschluss der Heiz- oder Bestrahlungsphase kühlt sich das definiert poröse Material 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 ab, und das Wasser innerhalb des Gehäuses 500 wird sich teilweise wieder im definiert porösen Material 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 ablagern. Ein anderer Teil des Wassers kann durch die Öffnung 510 im Gehäuse in die Umgebung entweichen. Das Schwingungsverhalten des Sensors 12 kann daher mehrmals vor und nach einer Heiz- oder Bestrahlungsphase erfasst werden, und liefert damit die Masse an Wasser in definiert porösem Material 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308.
Bei schneller Abfolge von Heiz- oder Bestrahlphasen nimmt die Menge an gebundenen Wasser nach jeder Heiz- oder Bestrahlungsphase ab. Die Abnahme der Masse als Funktion der Anzahl, Typ und Dauer, und Abstand der Heiz- oder Bestrahlungsphasen kann als zusätzlich Messgröße zur Bestimmung eines Taupunktes, Taupunkttemperatur oder der Feuchte verwendet werden. Ein solches Verhalten ist in Fig. 7 dargestellt. Das Schwingelement 14 hat nach Start der Bestrahlung eine höhere Frequenz (fO). Nach Beenden der
Bestrahlungsphase beginnt eine Abkühlphase. Ein Teil der Feuchte im Gehäuse 500 lagert sich langsam wieder auf dem Schwingelement 14 ab (Absinken der Frequenz). Gegen Ende der Abkühlphase wird die Frequenzzunahme langsam und fast linear. Der Unterschied Af1 gegenüber der Frequenz des Sensors 12 vor Start der ersten Bestrahlungsphase ist charakteristisch für die Geometrie des Gehäuses 500, der Art der Materialien und Anordnung und Größe der Öffnung 510.
Eine nächste Fleizphase führt wieder zu einem sehr raschen Ansteigen der Frequenz. Nach Beenden der Bestrahlung startet wieder eine Kühlphase. Die Frequenz nimmt wieder ab und sinkt allerdings weniger ab. Der Unterschied Af2 gegenüber der Frequenz des Sensors vor Start der ersten Bestrahlungsphase, Af1 und optional weitere solche Frequenzunterschiede Afi bei Durchführung weiterer (i-2) Bestrahlungsphasen sind charakteristisch für eine bestimmte Feuchte, Geometrie und Gehäuse 500, sowie Länge und Art der Bestrahlung.
Bei Verwendung der Sensoren 12 und einem Licht- oder Infrarot
Bestrahlungselement 560 kann es von Vorteil sein, die definiert porösen
Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 alle oder teilweise mit einem Additiv zu versehen, welches die Aufnahme der Stählung verändert.
Bevorzugte Additive zu den definiert porösen Materialien 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 sind Licht- oder Infrarot absorbierende
Materialien.
Bevorzugte Additive sind mineralische oder organische Pigmente oder Farbstoffe. Geeignete Materialien zur Absorption von Licht- oder Infrarot Strahlung sind hinreichend bekannt, und umfassen Materialien, welche als Farben kommerziell verfügbar sind.
Die Anwendung von geeigneten Additiven kann dazu verwendet werden, die Dauer und Intensität der Heiz- oder Bestrahlungsphasen zu reduzieren. Dies ist von Interesse, da dadurch direkt die Energieaufnahme gesenkt wird. In einer spezifischen Ausführungsform werden mehrere Materialien 16, 18, 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 auf einem Schwingelement 14 angeordnet, wobei die Materialien 16, 18 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 sich durch Porendurchmesser und den Gehalt an
Additiven unterscheiden.
In dieser speziellen Ausführungsform können Paare von Materialien 16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308 eingesetzt werden, wobei ein definiert poröses Material einmal ohne und einmal mit dem Additiv eingesetzt wird.
Die Verwendung von Anordnungen mit Materialien 161 , 162; 305, 306
übereinander, wie in Fig. 2 und Fig. 5 dargestellt, kann bei dieser speziellen Ausführungsform von Vorteil sein.
In solchen speziellen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, ein Material 162, 306 mit kleinerem Porendurchmesser auf ein Material 161 , 306 mit größerem Porendurchmesser abzuscheiden, und das Material mit kleinerem
Porendurchmesser so anzubringen, dass es mit dem Material mit größerem
Porendurchmesser in Kontakt kommt.
In einer anderen Ausführungsform des Sensors 12 unter Verwendung eines Licht emittierenden Elementes 560 ist das Additiv so beschaffen, dass es die
Ablagerung von Verunreinigungen auf dem Sensor 12 entfernen kann. Geeignete Materialien sind bekannt und umfassen Titandioxid in seiner Anatas-Kristallform und Licht-emittierende Elemente 560 mit Licht im blauen oder ultravioletten Teil des Spektrums. Solche Sensoren 12 sind für den Einsatz in Gasmischungen geeignet, welche Gase oder flüchtige Substanzen enthalten, die zu Ablagerungen auf den Sensoren 12 führen. Beispiele solcher Umgebungen, die zu Ablagerungen auf den Sensoren 12 führen, sind dem Fachmann bekannt, und umfassen
Arbeitsumgebungen der Färb- und Lackindustrie, der Fertigungstechnik oder andere Industrielle Umgebungen, wo flüchtige organische Verbindungen auftreten. Eine andere solche Umgebung ist in der Landwirtschaft oder in der Verarbeitung von Nahrungs- oder Genussmittel zu finden, wo flüchtige Komponenten organischem Ursprungs zu Ablagerungen führen können. Solche Ablagerungen können dann aus kondensierten Terpenderivaten bestehen.
In einer anderen Ausführungsform des Sensor 12 werden weitere definiert poröse Materialien (z.B. mehr als zwei) innerhalb des Gehäuses 500 angebracht. Diese zusätzlichen Materialien unterstützen die Funktion des Sensors 12, und können die Genauigkeit oder Zuverlässigkeit des Sensors 12 in bestimmten Umgebungen verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Öffnung 510 im Gehäuse 500 des Sensors 12 mit einer Membran 550 versehen, welche den Sensor 12 vor
Verschmutzung oder dem Eindringen von Flüssigkeiten schützt. Das Gas außerhalb des Gehäuses 500 kann nur durch die Membran 550 mit dem Sensor 12 interagieren. Das Gehäuse 500 ist ansonsten dicht verschlossen, so dass keine Verschmutzungen oder Wasser ins Gehäuse 500 eindringen können.
In einer speziell bevorzugten Ausführungsform ist die Membran 550, welche das Schwingelement 14 schützt gut Wasserdampf-durchlässig und gleichzeitig eine gute Barriere für flüssiges Wasser. Geeignete Membrane für solche
Anforderungen sind Gore-Tex-Membrane, Sympathex oder andere Membrane die auch in der Fierstellung von Sport- und Outdoor Funktionsbekleidung verwendet werden. Die Eignung der Membrane 550 kann gemessen werden durch die Wasserdampfdurchlässigkeit und die sogenannte Wassersäule, welche den Widerstand gegen das Durchdringen von flüssigem Wasser beschreibt. Geeignete Messverfahren für die Wasserdampfdurchlässigkeit sind nach der ASTM E96 Standard, Prozedur B (Wasser Methode) beschrieben. Geeignete Methoden um die Wassersäule zu messen sind in der Internationalen Norm ISO 811 -1981 (E) beschrieben. Membrane 550 mit einer Wasserdampfdurchlässigkeit von mehr als 400 Gramm pro Quadratmeter und Tag bei 23 °C und einer Wassersäule von mehr als 5 Meter sind speziell geeignet.
In einer anderen speziellen Ausführungsform besteht die obige Membran 550 aus einem Polymerfilm, welcher sich durch gute Wasserdampfdurchlässigkeit auszeichnet. Geeignete Filme können aus Polyurethanen oder Copolymeren mit hydrophoben und hydrophilen Anteilen hergestellt werden. Solche Membrane 550 sind geeignet, um Sensoren in Bereichen einzusetzen, welche Treibstoff oder andere Lösungsmittel oder Öl enthalten, insbesondere Bereiche, in denen ölige Tröpfchen auftreten können, insbesondere in der Nähe von Maschinen und Motoren, oder in elektronischen Anlagen.
Die Anordnung des Heizelementes oder der Infrarot oder Licht-emittierenden Elemente 560 im Sensor 12 ist für spezifische Anwendungsbereiche von spezieller Bedeutung. Insbesondere ist es von Interesse, das Heiz- oder
Bestrahlungselement 560 nahe am Schwingelement 14 anzubringen, ohne letzteres in seiner Funktion als Schwingelement 14 zu stören. Geeignete
Anordnungen sind daher gegenüber oder schräg, in direktem Sichtkontakt zum Schwingelement 14.
In speziellen Anordnungen ist es von Interesse, das Heiz- oder
Bestrahlungselement 560 so anzubringen, dass die Öffnung des Gehäuses oder die darauf angebrachte Membran 550 ebenfalls bestrahlt oder geheizt wird.
Bei der Verwendung von Licht-emittierenden Elementen 560 kann es von Vorteil sein, das Element 560 so anzuordnen, dass ein Teil des Lichtes nach außen dringen kann, und so Teil eines Signales an einen Verwender des Sensors 12 wird. Das Licht-emittierende Element 560 übernimmt in dieser Ausführungsform also zwei Aufgaben: Bestrahlen des Schwingelementes 14 und Aussenden eines Signales an den Verwender des Sensors 12. Solche Signale sind der Wartung, Kalibration und Überwachung des Zustandes solcher Sensoren 12 von Interesse, da sie auf einfache Weise die Funktion sonstiger Datenauslesegeräte und
Peripheriegeräte übernehmen können.
Fig. 11 zeigt einen Vergleich einer idealen linearen Kennlinie 600 eines
Feuchtesensors, wie sie bisher im gesamten Stand der Technik angestrebt war, mit einer Kennlinie 602 einer Ausführungsform des Feucht-Sensors 12 mit einem Sensorelement 10 gemäß einer der Figuren 1 bis 6b. Dabei ist die erfasste
Frequenz f schematisch auf der y-Achse und die relative Feuchtigkeit %F auf der x-Achse angegeben. Bei einem Gas mit einer bestimmten absoluten Feuchte kann auf der x-Achse auch die Temperatur T angegeben sein. Die Kennlinie 602 gemäß Ausführungsformen der Feuchte-Sensoren weist eine erste Nichtlinearität 602 und eine zweite Nichtlinearität 604 auf. Die Nichtlinearitäten 602, 604 können zum Erzeugen von Referenzwerten herangezogen werden.
Man weiß beispielsweise, dass das erste Material 16 bei einem bestimmten relativen Feuchtewert, beispielsweise aufgrund der Porenkondensation, einen schlagartigen Massenzuwachs aufweist, während das zweite Material 18 einen vergleichbaren Massenzuwachs bei einem anderen bestimmten relativen
Feuchtewert aufweist. Findet man, beispielsweise durch kontinuierliches Erhöhen oder Erniedrigen der Temperatur die beiden Nichtlinearitäten, kann man eindeutig zwei Referenzwerte und über das Verhältnis der Nichtlinearitäten zueinander oder deren Abstand zueinander auch einen weiteren Wert zur Überwachung der Funktion des Sensors erhalten.
Bezugszeichenliste:
10 Sensorelement
12 Feuchte-Sensor
14 Schwingelement
16 erstes Material
18 zweites Material
20 Temperierelement
100 Quarz-Schwingelement
101 erster Träger
102 zweiter Träger
110 Metallelektrode
151 erstes definiert poröses Material (getrennte Anordnung)
152 zweites definiert poröses Material (getrennte Anordnung)
161 erstes definiert poröses Material (unten)
162 zweites definiert poröses Material (oben)
200 Quarz-Stimmgabel
202 Halterung
204 Schwingbereich
210 erster Arm
211 Lotstelle
220 zweiter Arm
221 Lotstelle
301 erstes definiert poröses Material
302 zweites definiert poröses Material
303 erstes definiert poröses Material
304 zweites definiert poröses Material
305 erstes definiert poröses Material
306 zweites definiert poröses Material
307 erstes definiert poröses Material
308 zweites definiert poröses Material
500 Gehäuse
510 Öffnung
550 Membran
560 Licht- oder Infrarot emittierendes Element lineare Kennlinie
Kennlinie Ausführungsform des Feuchte-Sensors erste Nichtlinearität
zweite Nichtlinearität

Claims

Ansprüche:
1. Feuchte-Sensorelement (10) für einen Feuchte-Sensor (12) zum Messen eines Feuchtigkeitsgehalts in einem Gas, umfassend
wenigstens ein Schwingelement (14) und wenigstens ein Material (16, 18) auf dem Schwingelement (14), wobei das wenigstens eine Material (16, 18) derart ausgebildet ist, dass sich seine Masse bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte sprunghaft ändert.
2. Feuchte-Sensorelement (10) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein erstes Material (16) mit sich bei einem ersten Feuchtigkeitswert sprunghaft ändernder Masse und ein zweites Material (18) mit sich bei einem zweiten Feuchtigkeitswert sprunghaft ändernder Masse vorgesehen sind.
3. Feuchte-Sensorelement nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Material (16) und das zweite Material (18)
3.1 auf der gleichen Seite oder auf entgegengesetzten Seite des wenigstens einen Schwingelements (14);
3.2 auf einem gleichen Bereich (220) oder auf unterschiedlichen Bereichen (210, 220) des wenigstens einen Schwingelements (14);
3.3 nebeneinander, übereinander oder in ringförmiger oder sich umgebender Anordnung und/oder
3.4 auf unterschiedlichen Armen (210, 220) oder auf dem gleichen Arm (220) eines als Stimmgabel (200) ausgebildeten Schwingelements (14)
angeordnet sind.
4. Feuchte-Sensorelement (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Material (16, 18) ein poröses Material (151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) ist, bei dem
4.1 die Porengrößen derartig gewählt und verteilt sind, dass sich bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte eine sprunghafte
Masseänderung einstellt und/oder
4.2 die Abweichung der Porengröße der Poren von der mittleren Porengröße des Materials derart gewählt ist, dass sich bei sich über einen Feuchtigkeitswert hinweg verändernder Feuchte eine sprunghafte Masseänderung einstellt.
5. Feuchte-Sensorelement (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das wenigstens eine Material (16, 18) ein definiert-poröses Material (151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) ist.
6. Feuchte-Sensorelement (10) nach Anspruch 2 oder 3 und nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
dass sich das erste und das zweite Material (16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) unterscheiden
5.1 durch ihren mittleren Porendurchmesser und/oder
5.2 durch ihre Benetzbarkeit und/oder
5.3 dadurch, dass sie in Mengen vorgesehen sind, die ein deutlich
unterschiedliches Porenvolumen enthalten; und/oder
5.4 durch ihre Strahlenabsorptionsfähigkeit gegenüber einer Licht- oder Infrarot- oder Wärmestrahlung.
7. Feuchte-Sensorelement (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale:
7.1 dass das wenigstens eine Material (16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) ausgewählt ist aus der Gruppe der microporösen, mesoporösen und macroporösen Materialien;
7.2 dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials (16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) mit einem oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist;
7.3 dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials (16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) mit einem einem Organosilan oder Organosiloxan als oberflächenderivatisierenden Reagenz zur Veränderung der Benetzbarkeit behandelt ist;
7.4 dass wenigstens ein Teil des wenigstens einen Materials (16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) mit einem Additiv zur
Veränderung der Strahlenabsorptionsfähigkeit gegenüber einer Licht- oder Infrarot- oder Wärmestrahlung versehen oder behandelt ist;
7.5 dass das wenigstens eine Schwingelement (14) als Quarzmikrowaage (100) und/oder als Quarz-Stimmgabel (200) ausgebildet ist;
8. Verfahren zum Herstellen eines Feuchte-Sensorelements (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend:
8.1 Bereitstellen eines Schwingelements (14) und
8.2 Beschichten des Schwingelements (14) mit wenigstens einem Material (16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308), dessen Masse sich bei sich über einen Feuchtewert hinweg ändernder Feuchtigkeit sprunghaft ändert, wobei Schritt 8.2 enthält:
8.2.1 Aufbringen eines Vorläufermaterials auf dem Schwingelement (14) und
8.2.2 Erzeugen von Poren in dem Vorläufermaterial, um so das Material, dessen Masse sich bei sich über einen Feuchtewert hinweg ändernder Feuchtigkeit sprunghaft ändert, zu bilden.
9. Feuchte-Sensor (12) zur Bestimmung des Feuchtegehalts in einem Gas, umfassend ein Gehäuse (500) mit wenigstens einer Öffnung, ein Feuchte- Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7 innerhalb des Gehäuses (500) und ein Elektronikbauteil zum Ansteuern des Schwingelements (14) und Liefern eines Messsignals.
10. Feuchte-Sensor (12) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (500)
10.1 ein Temperierelement (20) zum Beeinflussen der Temperatur des wenigstens einen Materials enthält und/oder
10.2 ein Heizelement zum Beeinflussen der Temperatur des wenigstens einen Materials enthält und/oder
10.3 eine Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlungsquelle (560) zum Bestrahlen des wenigstens einen Materials mit Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlen enthält und/oder
10.4 einen LED-Baustein (560) zum Bestrahlen des wenigstens einen Materials mit Licht-, Infrarot- oder Wärmestrahlen enthält und/oder
10.5 metallisch ausgebildet ist und/oder
10.6 eine planare Fläche gegenüber dem wenigstens einen Schwingelement (14) aufweist und/oder
10.7 eine thermische Masse aufweist, die mehr als 1000mal höher ist als die thermische Masse des auf dem wenigstens einen Schwingelement (14) aufgebrachten wenigstens einen Materials (16, 18; 151 , 152; 161 , 162; 301 , 302; 303, 304; 305, 306; 307, 308) und/oder
10.8 an seiner Öffnung (510) mit einer wasserdampf-durchlässigen, aber wasserabweisenden Membrane (550) verschlossen ist.
11. Taupunktsensor zum Bestimmen eines Taupunkts in einem Gas, umfassend einen Feuchte-Sensor (12) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, wobei das Elektronikbauteil zum Liefern eines eine Bestimmung des Taupunkts zulassenden Messsignals ausgebildet ist.
12. Feuchtemessverfahren zum Messen einer Feuchtigkeit in einem Gas, umfassend
Verwenden eines Feuchte-Sensorelements (10), dessen Verlauf seines
Messsignals in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit wenigstens eine Nichtlinearität aufweist, und Ermitteln eines Referenzwertes anhand der wenigstens einen Nichtlinearität.
13. Feuchtemessverfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Verwenden eines Feuchte-Sensorelementes (10), dessen Verlauf seines Messsignals in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit eine erste Nichtlinearität und eine zweite Nichtlinearität aufweist, und
Ermitteln des Referenzwertes anhand eines Vergleichs der ersten Nichtlinearität und der zweiten Nichtlinearität.
14. Feuchtemessverfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
gekennzeichnet durch Verwenden eines Feuchte-Sensorelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eines mit dem Verfahren nach Anspruch 8 erhältliches Feuchte-Sensorelement (10) oder eines Feuchte-Sensors (12) nach einem der Ansprüche 9 oder 10.
15. Feuchtemessverfahren nach Anspruch 14,
gekennzeichnet durch einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte:
15.1 Verwendung von zwei oder mehr sprungartigen Veränderungen des Schwingverhaltens des wenigstens einen Schwingelements zur
Referenzwertbestimmung und/oder zum Kalibrieren;
15.2 Erwärmen des wenigstens einen Schwingelements (14) und Erfassen einer oder mehrerer im Verlauf der Erwärmung auftretender sprunghafter
Veränderungen der Frequenz des Schwingelements (14);
15.3 mehrmaliges Erwärmen des wenigstens einen Schwingelementes (14) und Erfassen von Änderungen der Frequenz des wenigstens einen Schwingelements (14) während einer Abkühlphase oder Kaltphase zwischen zwei Erwärmungen, wobei insbesondere erfasst wird, ob und in welchem Maße diese Änderungen der Frequenz mit zunehmender Anzahl der Erwärmungs-/Abkühlphasen kleiner werden, und aus dem Abfall dieser Änderung die Feuchte oder der Taupunkt ermittelt wird.
PCT/EP2018/081825 2017-11-20 2018-11-19 Feuchte-sensorelement, verfahren zum herstellen eines feuchte-sensorelements, feuchte- oder taupunkt-sensor und feuchtemessverfahren WO2019097069A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112018005661.9T DE112018005661A5 (de) 2017-11-20 2018-11-19 Feuchte-sensorelement, verfahren zum herstellen eines feuchte-sensorelements, feuchte- oder taupunkt-sensor und feuchtemessverfahren
US16/765,347 US11460390B2 (en) 2017-11-20 2018-11-19 Moisture sensor element, method for producing a moisture sensor element, moisture or dew point sensor and moisture-measuring method

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017127341.7A DE102017127341B4 (de) 2017-11-20 2017-11-20 Feuchte-Sensorelement, Verfahren zum Herstellen eines Feuchte-Sensorelements, Feuchte- oder Taupunkt-Sensor und Feuchtemessverfahren
DE102017127341.7 2017-11-20

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DE (2) DE102017127341B4 (de)
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111982753A (zh) * 2020-07-28 2020-11-24 青岛海尔空调器有限总公司 用于检测换热器翅片疏水能力的方法及系统

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020123710A1 (de) 2020-09-11 2022-03-17 Trafag Ag Messverfahren, Messvorrichtung, Steuerung und Computerprogrammprodukt
CN114644888B (zh) * 2022-04-01 2022-10-21 飞思仪表（深圳）有限公司 一种改性湿敏材料及其制备方法及应用、湿度传感器
DE102022211284A1 (de) * 2022-10-25 2024-04-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Mikromechanische Struktur und mikromechanischer Lautsprecher

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH465275A (de) 1961-05-15 1968-11-15 Exxon Research Engineering Co Verfahren und vorrichtung zur qualitativen oder quantitativen Bestimmung einer Mischungskomponente eines Gasgemisches
US3677066A (en) 1970-07-31 1972-07-18 Exxon Research Engineering Co Method for preconditioning piezoelectric sorption detectors
US4973182A (en) 1988-10-08 1990-11-27 Tsukasa Felt Shoji Co., Ltd. Writing nib made of synthetic resin
JPH07260661A (ja) 1994-03-25 1995-10-13 Nok Corp 水晶振動子湿度センサ
US5615954A (en) 1991-04-18 1997-04-01 Osaka Sanso Kogyo Ltd. Apparatus for measuring the dew point or frost point of a gas having low water content
US6126311A (en) 1998-11-02 2000-10-03 Claud S. Gordon Company Dew point sensor using mems
US6295861B1 (en) 1999-01-28 2001-10-02 Advanced Technology Materials, Inc. Quartz crystal microbalance sensors and semiconductor manufacturing process systems comprising same
DE69816431T2 (de) 1997-04-05 2004-04-15 Heriot-Watt University Taupunkt- und blasenpunktmessung
US20060032290A1 (en) 2004-08-12 2006-02-16 Honeywell International, Inc. Acoustic wave sensor with reduced condensation and recovery time
CN101620057A (zh) * 2009-06-02 2010-01-06 上海大学 基于有序介孔材料sba-15的石英晶体微天平湿度传感器的制备方法
US8904850B1 (en) * 2010-10-07 2014-12-09 Sandia Corporation Materials, methods and devices to detect and quantify water vapor concentrations in an atmosphere
WO2015085298A1 (en) 2013-12-06 2015-06-11 Battelle Memorial Institute Method and device for detecting odorants in hydrocarbon gases
US20160123930A1 (en) * 2014-10-30 2016-05-05 Brigham Young University Porous resonant sensors

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6150089A (en) * 1988-09-15 2000-11-21 New York University Method and characterizing polymer molecules or the like
US7421885B2 (en) * 2004-06-28 2008-09-09 Air Products And Chemicals, Inc. Method for characterizing porous low dielectric constant films
US20080108122A1 (en) * 2006-09-01 2008-05-08 State of Oregon acting by and through the State Board of Higher Education on behalf of Oregon Microchemical nanofactories
US8109161B2 (en) * 2008-02-27 2012-02-07 Baker Hughes Incorporated Methods and apparatus for monitoring deposit formation in gas systems
US10268114B2 (en) * 2014-11-07 2019-04-23 University Of Massachusetts High performance quartz crystal microbalance enhanced by microstructures for biological applications

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH465275A (de) 1961-05-15 1968-11-15 Exxon Research Engineering Co Verfahren und vorrichtung zur qualitativen oder quantitativen Bestimmung einer Mischungskomponente eines Gasgemisches
US3677066A (en) 1970-07-31 1972-07-18 Exxon Research Engineering Co Method for preconditioning piezoelectric sorption detectors
US4973182A (en) 1988-10-08 1990-11-27 Tsukasa Felt Shoji Co., Ltd. Writing nib made of synthetic resin
US5615954A (en) 1991-04-18 1997-04-01 Osaka Sanso Kogyo Ltd. Apparatus for measuring the dew point or frost point of a gas having low water content
JPH07260661A (ja) 1994-03-25 1995-10-13 Nok Corp 水晶振動子湿度センサ
DE69816431T2 (de) 1997-04-05 2004-04-15 Heriot-Watt University Taupunkt- und blasenpunktmessung
US6126311A (en) 1998-11-02 2000-10-03 Claud S. Gordon Company Dew point sensor using mems
US6295861B1 (en) 1999-01-28 2001-10-02 Advanced Technology Materials, Inc. Quartz crystal microbalance sensors and semiconductor manufacturing process systems comprising same
US20060032290A1 (en) 2004-08-12 2006-02-16 Honeywell International, Inc. Acoustic wave sensor with reduced condensation and recovery time
CN101620057A (zh) * 2009-06-02 2010-01-06 上海大学 基于有序介孔材料sba-15的石英晶体微天平湿度传感器的制备方法
US8904850B1 (en) * 2010-10-07 2014-12-09 Sandia Corporation Materials, methods and devices to detect and quantify water vapor concentrations in an atmosphere
WO2015085298A1 (en) 2013-12-06 2015-06-11 Battelle Memorial Institute Method and device for detecting odorants in hydrocarbon gases
US20160123930A1 (en) * 2014-10-30 2016-05-05 Brigham Young University Porous resonant sensors

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SCHREIBER; ANREAS: "Phasenverhalten reiner Stoffe in mesoporösen Silika-Materialien", 18 July 2002, DOKTORARBEIT, TECHNISCHE UNIVERSITÄT BERLIN
WILLIAM H. KING, ANALYTICAL CHEMISTRY, vol. 36, no. 9, August 1964 (1964-08-01), pages 1735 - 1739
WILLIAM H. KING, ESSO RESEARCH, ANALYTICAL CHEMISTRY, vol. 36, no. 9, August 1964 (1964-08-01), pages 1735 - 1739

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111982753A (zh) * 2020-07-28 2020-11-24 青岛海尔空调器有限总公司 用于检测换热器翅片疏水能力的方法及系统

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Publication number Publication date
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