WO2019233793A1 - Method for determining the moisture content of a moisture-absorbing material - Google Patents

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WO2019233793A1
WO2019233793A1 PCT/EP2019/063558 EP2019063558W WO2019233793A1 WO 2019233793 A1 WO2019233793 A1 WO 2019233793A1 EP 2019063558 W EP2019063558 W EP 2019063558W WO 2019233793 A1 WO2019233793 A1 WO 2019233793A1
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moisture
sensor
temperature
moisture sensor
heating element
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PCT/EP2019/063558
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Inventor
Antoni Picard
David SCHÖNFISCH
Jörg BLINN
Original Assignee
Hochschule Kaiserslautern
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • H05B3/22—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible
    • H05B3/26—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater non-flexible heating conductor mounted on insulating base
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/56—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content
    • G01N25/58—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating moisture content by measuring changes of properties of the material due to heat, cold or expansion
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the moisture content of a moisture-absorbing or moisture-containing material, in particular a textile, with a humidity sensor comprising a Fleizelement, which is coupled to a control unit, a power supply and an evaluation circuit ,
  • electrical methods in particular the electrical resistance measurement and the capacitance measurement, are used to determine the water content in a material, for example from US Pat. Nos. 5,402,075 A1, 6,647,782 B2, 6,222,376 B1 and US Pat 861 758 A1 known.
  • electrodes are arranged in or on the material to be examined, and the electrical measurement signal or electrical measured values are recorded for evaluation.
  • these methods are generally suitable for use in conjunction with relatively thin material layers, it is disadvantageous to influence the measured values by ionic contaminants or parasitic, often time-varying capacitances, as occur, for example, in close-to-body measurements.
  • thermal measuring methods the moisture content of the material is determined by the thermal properties, such as thermal conductivity or heat capacity, which change with the water content.
  • these measurement methods are less susceptible to interference and their main application is in the construction sector.
  • the thermal measuring methods offer the advantage of only low transverse sensitivities, in contrast to the usual electrical or gravimetric methods, which, for example, can be sensitive to fluctuating salt concentrations or contact with parasitic electrical capacitances (eg the human body)
  • EP 0 981 737 A1 discloses a sensor for determining the moisture content is known, which is preferably as a microsystem in silicon technology Herge is and be either permanently or by a short pulse be heated membrane with a first temperature sensor and a thermally insulated from the membrane second temperature sensor for determining the ambient temperature includes.
  • an absorbent material such as wood, paper, cardboard or a porous ceramic, ordered to.
  • the heat generated when heating the membrane is dissipated by the absorbent material to the environment.
  • the differential temperature between the two temperature sensors represents a reference value for the moisture content of the material.
  • WO 2006/081 693 A1 / EP 1 844 323 B1 discloses a method and a device for determining the water content of a medium, in particular of earth and the like, wherein a measuring sensor or sensor arranged in the medium is heated up. Between the probe and the surrounding medium, an intermediate layer is arranged, which is absorbent and mechanically deformable for mechanical coupling of the probe to the surrounding medium and for thermal decoupling of the probe from the surrounding medium, which is why a direct measurement in the environment is not possible.
  • the disclosed system can not determine an explicit reading at a defined small distance from the heating element. Only an evaluation based on temperature threshold values is described. This means that it integrates over the entire range of propagation depth. It is therefore not possible to measure in defined layers of the environment or to limit this by the pulse duration.
  • US Pat. No. 3,550,439 A1 describes a so-called clothing hygrometer with which the moisture content of textiles can be determined, wherein a structure similar to a capacitor and a hygroscopic material are used. Of the Moisture content is determined without heat pulse by means of an electrical capacitance measurement.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus of the type mentioned that or make a statement regarding a moisture content in a moisture-absorbing or moisture-containing material, the spatial measurement range is variable and the moisture content in a thin layer of material or in the immediate vicinity of the moisture sensor is measurable and wherein the spatial measurement range is not affected by a physical barrier, d. H. not influenced by the influence of an environmental material.
  • the temporal control and analysis of the temperature change of the Fleizettis taking advantage of the finite propagation velocity of the heat pulse in the material and the different temperature effects due to the different heat capacities and perennial mention of the heat effects due to the different heat capacities and perennial mention of the heat energy te ⁇ the distance to the Fleischelement in which the moisture content is measured, influenced, the control unit the Fleizelement for a predetermined period of time applied to a defined Fleizstrom and the temperature profile, ie the time-dependent temperature change, is measured to determine the moisture content.
  • the distance between the sensor and the measuring location can be precisely defined. For example, it is possible to determine the slope of the measurement signal (temperature profile) at a specific time, with which a specific spatial measurement window can be defined. For example, it can be determined how big the humidity is at a distance of 100 to 150 pm from the sensor. Thus, for example, the slope of the temperature profile is determined at a distance corresponding to the time interval.
  • the heating element a resistance heating element
  • the method makes it possible to determine the moisture content in a material, which may also have a relatively thin cross-section, for example a textile of a garment or a shoe or skin layers or the like, by means of a thermal method, wherein the finite propagation velocity of a heating pulse and the concomitant limitation of the measuring volume is used.
  • the temperature of the heating element as a function of the time and the moisture content describes a temperature curve, which is determined to determine the moisture content.
  • the heating pulse can also be controlled by the instantaneous value of the temperature or the speed of the temperature rise.
  • a regulation of the maximum temperature may be useful if very large variations in effusivity occur between completely dry and very wet.
  • the measured value for the ambient humidity can thus be the temperature change or the temporal temperature profile generated by the defined heating pulse. Since the heat propagates at finite propagation velocity into the environment, it is possible to define the spatial influence range, by the duration of the heating pulse or the time points of the temperature measurements. By accurately controlling the time course of the temperature measurement, the influenced measurement volume of the material to be examined or monitored is effectively limited. It is also possible, by judicious choice of the temporal measuring window, to measure areas which are indirectly adjacent to the sensor, ie it is possible to focus the measurement on certain discrete layers which are at a defined distance from the sensor. Thus, it is possible to measure the water content in thin layers, in particular of textile material used in the manufacture of clothing, without the wider environment, such as physical barriers, influencing the measurement result. In particular, the method is suitable for determining the moisture in thin layers whose environment is not defined in more detail. As an example, textile layers are mentioned, which are in more or less well-defined contact with the human body and / or other textile layers and / or the ambient air
  • the thermal energy dissipated by the environment from the heating element is highly dependent on the water content of its environment.
  • the heat flow itself may vary during the heat pulse, but the course should be the same for each measurement. It is possible to analyze the entire temperature curve during the heating pulse or at defined times. It is important that the propagation front of the heat remains within the desired measurement volume at the time of the measurement or that the contact with the environment outside the desired measurement volume can not yet have an effect on the measurement on the sensor.
  • the heating element of the moisture sensor is protected by a thin electrically non-conductive layer from the environment, which has the lowest possible heat capacity and high heat conduction.
  • the heating element itself can be used, in which its temperature-dependent electrical resistance is monitored and evaluated, o- there is a directly attached to the heating element temperature sensor provided, which is of course also coupled to the evaluation circuit and the control unit.
  • the control unit may comprise further electronic components, in particular also being coupled to input and / or output units or designed for wireless data transmission.
  • the power supply can be stationary via a power supply or in the form of a battery for eg mobile applications or body-near applications. By choosing the heat pulse length, the intensity or the frequency of a measurement, the energy consumption can be adapted to the respective situation.
  • the measurement volume directly detected by the moisture sensor can consist of the material to be examined for its moisture content.
  • a reference material in close moisture exchange with the material to be examined.
  • the medium to be examined for its moisture content can thus be used e.g. a textile itself and act directly on the moisture sensor, or indirectly via the moisture-sensor firmly attached and moisture-absorbing reference material, which is in a moisture exchange with the environment. If the water absorption in the reference material is virtually hysteresis-free and fast enough in comparison to the change in the water content of the environment, then the moisture content in the reference material can be taken as the Aquipotential value, which is often referred to in soil physics as "suction stress", for the ambient humidity.
  • the moisture sensor suitable for heating and for temperature measurement can be realized in different ways and correspondingly integrated into the measuring environment.
  • a structure of the humidity sensor on a conventional circuit carrier, e.g. B. a circuit board to build.
  • a stretchable film are applied, so that the moisture sensor can closely conform to the monitored or to be examined material or incorporated into the material, for. B. in a textile.
  • the moisture sensor preferably comprises a gold thin-film heating element which is applied to a thin film-like polyimide substrate or a thin flexible polyurethane film.
  • the heat pulse propagates from the heat conductor through the thin electrically non-conductive layer and then reacts to the humidity of the immediate sensor environment.
  • the structure may also be formed as a thread, fiber, wire or as a conductive yarn and may be made into e.g. textile fabric, i. directly in clothing or footwear.
  • textiles with a largely integrated sensor structure can be constructed which do not disturb the normal moisture transport of the textile or the garment, whereby substantial advantages in the construction of intelligent clothing can be achieved.
  • the thermal moisture measurement method is robust against many disturbing influences such as eg ionic impurities, parasitic capacitances or electrical interference fields, which is why it can also be used in a harsh environment, in particular close to reality and under special stress by a wearer of the clothing as well as environmental influences .
  • the thermal moisture measurement method is a nondestructive method so that the moisture sensor can be directly applied to the material without having to separate a sample from the material. Due to the short heat pulse or heat pulse, it is possible to limit the measuring range to a small range. It is therefore possible to measure thin layers without having to accept a larger influence on the wider environment.
  • the thermal moisture measurement method is very sensitive even in areas with very high moisture content. If the moisture sensor is incorporated into a textile in the form of a fiber-like structure, various measurement tasks in the field of sports, health and ambient assisted living (AAL) can be solved relatively easily, without affecting the normal moisture transport. It is also possible to build sensors based on perforated foils, so that the normal moisture transport is not hindered.
  • AAL ambient assisted living
  • the moisture sensor can be used in systems worn close to the body, for example in portable electronic devices (wearables) or directly in textiles or clothing, in particular functional or protective clothing, in order to quantify the humidity climate or else to actively control ventilation systems , Due to the very short heating pulses, energy-saving small systems are possible.
  • the ventilation systems themselves may be active or passive in nature, e.g. Flaps or fans.
  • the sensor concept can also be used to determine the skin moisture. Especially in the stratum corneum, ie the horny layer of the skin, good results were obtained. In deeper skin layers, ie beyond the stratum corneum, a difference in the course of the curve can be recognized if the body is strongly normal hydrogenated, hyperhydrated and / or dehydrated. This can be used for cosmetic and / or medical applications.
  • a meter which signals, for example, a user that he has not drunk enough.
  • the signaling can be done for example by an app on an external computer, such as a smart phone, and / or directly on the meter.
  • Essential is the possibility of controlling the distance from the heating element in which the measurement of the moisture content takes place. This takes place via the temporal control of the heating pulse and taking advantage of the finite propagation velocity of the heat pulse in the material and the different temperature effects due to the different heat capacities and heat conductivities depending on the moisture content.
  • the propagation of heat in the material depends on its thermal diffusivity and, in the most favorable case, varies only very slightly with the moisture content.
  • the sensor can be structured differently. Practical embodiments are e.g. thin printed conductors made of gold on a very thin polyimide film or a thin flexible polyurethane film or as a semiconductor device or thin conductive filaments. Instead of foils, perforated or reticulated structures can also be used. It is essential that the heat capacity be reduced by a miniaturized design, e.g. in thin film technology or microtechnology, can be kept very small, which improves the sensor sensitivity. Due to the microtechnical design, very thin (nanometers to millimeters) and large-area sensors can be produced. The heating element is not or disproportionately increased in relation to the contact surface of the sensor. As a result, very thin layers of e.g. about 10 - 200 microns are measured.
  • the sensor may comprise 200 nm thick gold between two 4 ⁇ m polyimide films.
  • the area can be arbitrarily large, being generally used in about 1 cm 2 .
  • the large surface area allows good, flat contact between the sensor and the textile.
  • the textile can also be used with the probe eg by gluing, thermally bonding or sewing or embroidering, which further improves the contact.
  • FIG. 3 diagrams illustrating the relationships between the
  • Fig. 4 is a diagram showing the penetration depth of the heat in the
  • FIG. 5 shows a diagram of a moisture measurement, shown with the different time ranges, which are influenced by the sensor environment,
  • Fig. 7 is a diagram of a measurement of moisture on the skin of a forearm with moistened (H) and normal dry (N) outer skin layer.
  • the moisture sensor 1 comprises a structure 2, on which a heating element 3 is arranged, which via electrical connections 4 with an electronic control unit 5, which includes an evaluation circuit 6 and of course in addition to Speicherememen- also a CPU, and an energy source. 7 is coupled, for example in the form of a battery or a rechargeable battery, to apply a defined heating current to the heating element 3 for a given period of time and thus to generate a heat pulse or heat pulse and the temperature increase for determining the moisture content of the material, the Moisture sensor 1 is assigned to measure.
  • the heating element 3 is designed as a thin-film heating element, which comprises gold evaporated on the thin polyimide structure 2 and is encapsulated with a further polyimide layer. Other materials and manufacturing processes are possible.
  • FIG. 3 illustrates how the erratic course of a heat flow Q over time t according to the course of the line 1 1 affects a core temperature T over time t, wherein the curve 12 on dry material 8 and the curve 13 on humid / wet material 8 is determined. Due to the high heat input coefficient of water, heat is better dissipated by the moisture sensor 1 due to the material 8 having a higher water content. Other courses of the heat flow, such as a very short pulse, are also possible. An illustration of the penetration depth x of the heat or of the heat flow of the heating pulse into the material 8 as a function of the time t, is shown in FIG. 4, whereby the penetration depth also increases with increasing time.
  • the penetration depth is a root function of the time and the thermal diffusivity of the environment and can be described by methods of statistical physics. Even after switching off the heating current, the heat continues to spread. Therefore, it is also possible, for example, to use only a short heat pulse and to look at the cooling behavior of the moisture sensor 1 after this.
  • Fig. 5 illustrates how the temperature T of the humidity sensor 1 behaves at a sudden heat flow Q.
  • the temperature progresses through the polyimide structure 2 of the moisture sensor 1, then through the immediate sensor environment, namely the material 8 and its moisture content, and, during a longer measurement, through the environment 9 adjoining the material 8 affected.
  • the influence of the environment 9 on the moisture measurement can be discriminated. That the humidity measurement must be limited to the immediate sensor environment.
  • FIG. 6 shows a diagram with the typical signal course of a simulated measurement on a textile material 8 and six different moisture states from air-dried (D) to completely soaked (W). Shown is the resistance change of the heating element (AR / R) and its temperature change in arbitrary units, both of which are directly related (PTC resistance properties).
  • the time range of 100ms to 300ms (Mx) is suitable for this measurement to estimate the moisture in the fabric. At shorter times, the heat pulse may remain in the polyimide, while at longer times it may reach the wider and unmeasurable environment.
  • FIG. 7 shows an example measurement on the skin in which the relative resistance change was plotted over the root of the time.
  • the heat pulse has passed through the stratum corneum and reached the deeper skin layers.
  • the skin moisture is influenced by the body constitution (eg water content in the body) and no longer by the external influences.
  • the skin moisture on the other side of the stratum corneum is the same in this measurement. Therefore, in the area Mx 2 the two curves run parallel. The effect of superficially moist skin or skin creams can be discriminated against by the selected temporal measuring window.

Abstract

The invention relates to a method for determining the moisture content of a moisture-absorbing material (8), in particular a textile, or of a material containing moisture, in particular skin, comprising a moisture sensor (1) having a heating element (3), coupled with a control unit (5) and an evaluation circuit. By means of the temporal control and analysis of the temperature change of the heating element (3) utilizing the finite propagation speed of the heat pulse in the material (8), and the different temperature effects due to the different heat capacities or heat penetration coefficients, the distance to the heating element (3), in which the moisture contents is measured, is influenced, depending on the moisture content. The control unit (5) impacts the heating element (3) with a defined heating current for a predetermined period of time, and the temperature progression, that is, the time-dependent temperature change, is measured for determining the moisture content.

Description

Verfahren zur Ermittlung des Feuchtegehalts  Method for determining the moisture content
eines Feuchtigkeit aufnehmenden Materials  a moisture absorbing material
Beschreibung description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Feuchtegehalts ei- nes Feuchtigkeit aufnehmenden oder Feuchtigkeit enthaltenden Materials, insbe- sondere eines Textils, mit einem ein Fleizelement umfassenden Feuchtigkeits- sensor, der mit einer Steuereinheit, einer Energieversorgung und einer Auswer- teschaltung gekoppelt ist. The invention relates to a method for determining the moisture content of a moisture-absorbing or moisture-containing material, in particular a textile, with a humidity sensor comprising a Fleizelement, which is coupled to a control unit, a power supply and an evaluation circuit ,
In vielen technischen Anwendungsbereichen ist die Kenntnis bezüglich des Feuch- tegehalts von Materialien wichtig und wird gemessen, wobei sich die Messung in relativ dünnen Materialschichten häufig als problematisch erweist. In many technical applications, knowledge of the moisture content of materials is important and is measured, with measurement in relatively thin layers of material often proving problematic.
In der Literatur, beispielsweise in Materialfeuchtemessung: Grundlagen - Messver- fahren - Applikationen - Normen, Kontakt & Studium, Band 513, Klaus Kupfer, Ex- pert-Verlag, 1997, sind eine Vielzahl von Messmethoden für unterschiedliche Ver- wendungszwecke beschrieben, wobei häufig Methoden der Bau- und Bodenfeuch- temessung erläutert sind, die die Gemeinsamkeit aufweisen, dass relativ große Be- reiche vermessen werden und eine lokale Abgrenzung oftmals nicht möglich ist. Besondere Anforderungen, beispielsweise körpernaher Messungen, werden mit den bekannten Methoden nur unzureichend erfüllt. In the literature, for example in Material Moisture Measurement: Basics - Measurement Method - Applications - Standards, Contact & Studies, Volume 513, Klaus Kupfer, Expert-Verlag, 1997, a variety of measurement methods for different applications are described, often Methods of building and soil moisture measurement are explained, which have the common feature that relatively large areas are measured and a local demarcation is often not possible. Special requirements, such as measurements close to the body, are only insufficiently fulfilled with the known methods.
Mit der gravimetrischen Methode ist eine Messung des Wassergehalts eines Mate- rials möglich, bei der das Trockengewicht des Materials mit dessen Feuchtgewicht verglichen wird. Hierzu wird dem zu untersuchenden Material eine Probe entnom- men und gegebenenfalls getrocknet, wobei sich die Probenentnahme in einigen Fäl- len schwierig gestaltet, da es nicht immer möglich ist, aus einem Gesamtsystem eine Probe herauszutrennen. Eine kontinuierliche Messung des Wassergehalts ist nahezu unmöglich, wobei Messergebnisse nicht den tatsächlichen Wassergehalt angeben, wenn die Probe nicht zeitnah gewogen werden kann, da ein Teil der in dem Material der Probe aufgenommenen Feuchtigkeit verdunstet. Gravimetrische Methoden sind beispielsweise in der US 4 316 384 A1 , US 4 666 007 A1 , US 4 750 143 A1 , US 4 798 252 A1 und US 4 889 201 A1 angegeben. With the gravimetric method, a measurement of the water content of a material is possible, in which the dry weight of the material is compared with its wet weight. For this purpose, a sample is taken from the material to be examined. and, where appropriate, dried, with sampling in some cases being difficult since it is not always possible to separate a sample from an entire system. Continuous measurement of water content is nearly impossible, with measurement results not indicating the actual water content if the sample can not be timely weighed as some of the moisture contained in the sample's material evaporates. Gravimetric methods are given for example in US 4,316,384 A1, US 4,666,007 A1, US 4,750,143 A1, US 4,798,252 A1 and US 4,889,201 A1.
Im Weiteren sind elektrische Methoden, insbesondere die elektrische Widerstands- messung und die Kapazitätsmessung, zur Bestimmung des Wassergehalts in ei- nem Material, beispielsweise aus der US 5 402 075 A1 , US 6 647 782 B2, US 6 222 376 B1 und der US 5 861 758 A1 bekannt. Hierbei werden Elektroden im oder am zu untersuchenden Material angeordnet und das elektrische Messsignal bzw. elekt- rische Messwerte zur Auswertung erfasst. Diese Methoden eignen sich grundsätz- lich zur Verwendung im Zusammenhang mit relativ dünnen Materialschichten, aller- dings erweist sich die Beeinflussung der Messwerte durch ionische Verunreinigun- gen oder parasitäre, oft zeitlich veränderliche Kapazitäten, wie sie beispielsweise bei körpernahen Messungen auftreten, als nachteilig. Furthermore, electrical methods, in particular the electrical resistance measurement and the capacitance measurement, are used to determine the water content in a material, for example from US Pat. Nos. 5,402,075 A1, 6,647,782 B2, 6,222,376 B1 and US Pat 861 758 A1 known. In this case, electrodes are arranged in or on the material to be examined, and the electrical measurement signal or electrical measured values are recorded for evaluation. Although these methods are generally suitable for use in conjunction with relatively thin material layers, it is disadvantageous to influence the measured values by ionic contaminants or parasitic, often time-varying capacitances, as occur, for example, in close-to-body measurements.
Bei thermischen Messmethoden wird die Materialfeuchte aufgrund der sich mit dem Wassergehalt ändernden thermischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Wärm- leitfähigkeit oder Wärmekapazität, bestimmt, wobei diese Messmethoden in der Praxis wenig störanfällig sind und ihre Flauptanwendung im Bausektor liegt. Jedoch bieten die thermischen Messmethoden besonders bei körpernahen Messungen den Vorteil von nur geringen Quersensitivitäten im Gegensatz zu den üblichen elektri- schen oder gravimetrischen Methoden, die z.B. empfindlich auf schwankende Salz- konzentrationen oder der Berührung mit parasitären elektrischen Kapazitäten (z.B. dem menschlichen Körper) reagieren können. Aus der EP 0 981 737 A1 ist ein Sensor zur Bestimmung des Feuchtegehalts bekannt, der vorzugsweise als Mikrosystem in Silizium-Technologie herge stellt ist und eine entweder dauerhaft oder mittels eines kurzen Pulses be heizbare Membran mit einem ersten Temperatursensor sowie einen von der Membran thermisch isolierten zweiten Temperatursensor zur Bestimmung der Umgebungstemperatur umfasst. Auf der Membran ist ein saugfähiges Material, beispielsweise Holz, Papier, Karton oder eine poröse Keramik, an geordnet. Die beim Heizen der Membran entstehende Wärme wird durch das saugfähige Material an die Umgebung abgeleitet. Die Differenztemperatur zwischen den beiden Temperatursensoren stellt einen Referenzwert für die Materialfeuchte dar. Durch die Erwärmung mittels eines Heizpulses ist zwar der Energiebedarf minimiert, allerdings ist keine räumliche Eingrenzung des Messbereichs möglich. With thermal measuring methods, the moisture content of the material is determined by the thermal properties, such as thermal conductivity or heat capacity, which change with the water content. In practice, these measurement methods are less susceptible to interference and their main application is in the construction sector. However, especially in close-to-scale measurements, the thermal measuring methods offer the advantage of only low transverse sensitivities, in contrast to the usual electrical or gravimetric methods, which, for example, can be sensitive to fluctuating salt concentrations or contact with parasitic electrical capacitances (eg the human body) , From EP 0 981 737 A1 discloses a sensor for determining the moisture content is known, which is preferably as a microsystem in silicon technology Herge is and be either permanently or by a short pulse be heated membrane with a first temperature sensor and a thermally insulated from the membrane second temperature sensor for determining the ambient temperature includes. On the membrane is an absorbent material, such as wood, paper, cardboard or a porous ceramic, ordered to. The heat generated when heating the membrane is dissipated by the absorbent material to the environment. The differential temperature between the two temperature sensors represents a reference value for the moisture content of the material. Although the heating requirement is minimized by means of a heating pulse, no spatial confinement of the measuring range is possible.
Die WO 2006/ 081 693 A1 / EP 1 844 323 B1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wassergehaltes eines Mediums, insbesondere von Erden und dergleichen, wobei ein im Medium angeordneter Messfühler oder Sensor aufgeheizt wird. Zwischen dem Messfühler und dem umgebenden Medium ist eine Zwischenschicht angeordnet, die saugfähig und mechanisch deformierbar ist zur mechanischen Ankopplung des Messfühlers an das umgebende Medium und zur thermischen Entkopplung des Messfühlers von dem umgebenden Medium, weshalb eine direkte Messung in der Umgebung nicht möglich ist. Das offenbarte System kann keinen expliziten Messwert in einem definierten geringen Abstand vom Heizelement bestimmen. Es ist lediglich eine Auswertung anhand von Temperatur- schwellwerten beschrieben. Das bedeutet, dass über den gesamten Bereich der Ausbreitungstiefe integriert wird. Es ist somit nicht möglich in definierten Schichten der Umgebung zu messen bzw. diese durch die Pulsdauer einzugrenzen. WO 2006/081 693 A1 / EP 1 844 323 B1 discloses a method and a device for determining the water content of a medium, in particular of earth and the like, wherein a measuring sensor or sensor arranged in the medium is heated up. Between the probe and the surrounding medium, an intermediate layer is arranged, which is absorbent and mechanically deformable for mechanical coupling of the probe to the surrounding medium and for thermal decoupling of the probe from the surrounding medium, which is why a direct measurement in the environment is not possible. The disclosed system can not determine an explicit reading at a defined small distance from the heating element. Only an evaluation based on temperature threshold values is described. This means that it integrates over the entire range of propagation depth. It is therefore not possible to measure in defined layers of the environment or to limit this by the pulse duration.
Die US 3 550 439 A1 beschreibt ein so genanntes Bekleidungs-Hygrometer, mit dem Feuchtegehalt von Textilien bestimmbar ist, wobei eine einem Kondensator ähnliche Struktur und ein hygroskopisches Material zum Einsatz kommen. Der Feuchtegehalt wird ohne Wärmepuls mittels einer elektrischen Kapazitätsmessung bestimmt. US Pat. No. 3,550,439 A1 describes a so-called clothing hygrometer with which the moisture content of textiles can be determined, wherein a structure similar to a capacitor and a hygroscopic material are used. Of the Moisture content is determined without heat pulse by means of an electrical capacitance measurement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die eine Aussage bezüglich eines Feuchtegehalts in einem Feuchtigkeit aufnehmenden oder Feuchtigkeit enthalten- den Material ermöglichen, wobei der räumliche Messbereich variierbar ist und der Feuchtegehalt in einer dünnen Materialschicht bzw. in unmittelbarer Umgebung des Feuchtigkeitssensors messbar ist und wobei der räumliche Messbereich nicht durch eine körperliche Barriere, d. h. nicht aufgrund des Einflusses eines Umgebungsma- terials, beeinflusst wird. The invention has for its object to provide a method and an apparatus of the type mentioned that or make a statement regarding a moisture content in a moisture-absorbing or moisture-containing material, the spatial measurement range is variable and the moisture content in a thin layer of material or in the immediate vicinity of the moisture sensor is measurable and wherein the spatial measurement range is not affected by a physical barrier, d. H. not influenced by the influence of an environmental material.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprü- che gelöst. According to the invention, the object is achieved by the features of the independent claims.
Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen dar. The dependent claims represent advantageous embodiments.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird durch die zeitliche Steuerung und Analyse der Temperaturänderung des Fleizelementes unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wärmepulses im Material sowie der unterschiedlichen Temperatureffekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapa- zitäten und Wärmeleitfähigkeiten oder Wärmeeindringkoeffizienten je nach Feuch- tegehalt der Abstand zu dem Fleizelement, in dem der Feuchtegehalt gemessen wird, beeinflusst, wobei die Steuereinheit das Fleizelement für eine vorgegebene Zeitspanne mit einem definierten Fleizstrom beaufschlagt und der Temperaturver- lauf, also die zeitabhängige Temperaturänderung, zur Ermittlung des Feuchtege- halts gemessen wird. In a method of the type mentioned above, the temporal control and analysis of the temperature change of the Fleizelementes taking advantage of the finite propagation velocity of the heat pulse in the material and the different temperature effects due to the different heat capacities and Wärmeleitfähigkeiten or Wärmeindringkoeffizienten depending on moisture te¬ the distance to the Fleischelement in which the moisture content is measured, influenced, the control unit the Fleizelement for a predetermined period of time applied to a defined Fleizstrom and the temperature profile, ie the time-dependent temperature change, is measured to determine the moisture content.
Da der Temperaturverlauf nach einer frei wählbaren Zeit nach Starten des Wärme- pulses ausgewertet werden kann, kann der Abstand zwischen Fühler und Messort genau definieren werden. Es kann z.B. die Steigung des Messsignals (Temperaturverlauf) zu einem bestimm- ten Zeitpunkt ermittelt werden, womit ein bestimmtes räumliches Messfenster defi niert werden kann. Es kann beispielsweise bestimmt werden, wie groß die Feuchte in einer Entfernung von 100 bis 150 pm vom Sensor ist. Es wird also z.B. die Stei gung des Temperaturverlaufs in einem der Entfernung entsprechendem Zeitab- schnitt bestimmt. Since the temperature curve can be evaluated after a freely selectable time after the heat pulse has been started, the distance between the sensor and the measuring location can be precisely defined. For example, it is possible to determine the slope of the measurement signal (temperature profile) at a specific time, with which a specific spatial measurement window can be defined. For example, it can be determined how big the humidity is at a distance of 100 to 150 pm from the sensor. Thus, for example, the slope of the temperature profile is determined at a distance corresponding to the time interval.
Das Heizelement, ein Widerstandsheizelement, wird für einen kurzen definierten Zeitraum mit einem definierten elektrischen Strom zur Erwärmung beaufschlagt, wo- bei die Wärme durch das den Feuchtigkeitssensor umgebende Material aufgenom- men und abgeleitet wird. Das Verfahren ermöglicht die Ermittlung des Feuchtege- halts in einem Material, das auch einen relativ dünnen Querschnitt aufweisen kann, beispielsweise ein Textil eines Bekleidungsstücks oder eines Schuhs oder Haut- schichten oder dergleichen, mittels einer thermischen Methode, wobei die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Heizpulses und die damit einhergehende Be- grenzung des Messvolumens genutzt wird. Die Temperatur des Heizelementes in Abhängigkeit von der Zeit und dem Feuchtegehalt beschreibt einen Temperaturver- lauf, der zur Ermittlung des Feuchtegehalts ermittelt wird. The heating element, a resistance heating element, is subjected to heating for a short defined period of time with a defined electric current, with the heat being absorbed and dissipated by the material surrounding the moisture sensor. The method makes it possible to determine the moisture content in a material, which may also have a relatively thin cross-section, for example a textile of a garment or a shoe or skin layers or the like, by means of a thermal method, wherein the finite propagation velocity of a heating pulse and the concomitant limitation of the measuring volume is used. The temperature of the heating element as a function of the time and the moisture content describes a temperature curve, which is determined to determine the moisture content.
Der Heizpuls kann auch durch den Momentanwert der Temperatur bzw. der Ge- schwindigkeit des Temperaturstiegs gesteuert werden. Eine Regelung der maxima- len Temperatur kann sinnvoll sein, wenn sehr starke Variationen in der Effusivität zwischen ganz trocken und ganz nass auftreten. Bei konstanter Heizleistung müsste der Heizstrom bzw. die Heizleistung an den trockenen Zustand angepasst werden, um die Temperaturerhöhung zu begrenzen. Dies würde die Sensorempfindlichkeit für hohe Effusivitäten (= nass) begrenzen. The heating pulse can also be controlled by the instantaneous value of the temperature or the speed of the temperature rise. A regulation of the maximum temperature may be useful if very large variations in effusivity occur between completely dry and very wet. At constant heating power, the heating current or the heating power would have to be adapted to the dry state in order to limit the temperature increase. This would limit the sensor sensitivity for high efficiencies (= wet).
Als Messwert für die Umgebungsfeuchte kann somit die durch den definierten Heiz- puls erzeugte Temperaturänderung bzw. der zeitliche Temperaturverlauf verwendet werden. Da sich die Wärme mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit in die Um- gebung ausbreitet, ist es möglich den räumlichen Einflussbereich, durch die Dauer des Heizpulses bzw. die Zeitpunkte der Temperaturmessungen zu definieren. Durch genaue Kontrolle des zeitlichen Ablaufs der Temperaturmessung wird das beeinflusste Messvolumen des zu untersuchenden oder zu überwachenden Mate- rials wirksam begrenzt. Es ist weiterhin möglich, durch geschickte Wahl des zeitli- chen Messfensters auch gezielt Bereiche zu vermessen, die mittelbar an den Sen- sor grenzen, d.h. man kann die Messung auf bestimmte diskrete Schichten fokus- sieren, die in einem definierten Abstand vom Sensor liegen. Somit ist es möglich den Wassergehalt in dünnen Schichten, insbesondere von textilem Material, das bei der Fertigung von Bekleidung Verwendung findet, zu messen ohne, dass die weitere Umgebung, wie physikalische Barrieren, das Messergebnis beeinflussen. Insbesondere ist das Verfahren geeignet, die Feuchte in dünnen Schichten zu be- stimmen, deren Umgebung nicht näher definiert ist. Als Beispiel sind Textilschichten zu nennen, die in mehr oder weniger gut definierten Kontakt zum menschlichen Körper und/oder weiteren Textilschichten und/oder zur Umgebungsluft stehen. The measured value for the ambient humidity can thus be the temperature change or the temporal temperature profile generated by the defined heating pulse. Since the heat propagates at finite propagation velocity into the environment, it is possible to define the spatial influence range, by the duration of the heating pulse or the time points of the temperature measurements. By accurately controlling the time course of the temperature measurement, the influenced measurement volume of the material to be examined or monitored is effectively limited. It is also possible, by judicious choice of the temporal measuring window, to measure areas which are indirectly adjacent to the sensor, ie it is possible to focus the measurement on certain discrete layers which are at a defined distance from the sensor. Thus, it is possible to measure the water content in thin layers, in particular of textile material used in the manufacture of clothing, without the wider environment, such as physical barriers, influencing the measurement result. In particular, the method is suitable for determining the moisture in thin layers whose environment is not defined in more detail. As an example, textile layers are mentioned, which are in more or less well-defined contact with the human body and / or other textile layers and / or the ambient air.
Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Wärmekapazität von Wasser im Vergleich zu Luft ist die durch die Umgebung von dem Heizelement abgeführte thermische Energie stark abhängig von dem Wassergehalt dessen Umgebung. Due to the high thermal conductivity and high heat capacity of water compared to air, the thermal energy dissipated by the environment from the heating element is highly dependent on the water content of its environment.
Der Wärmestrom selbst kann während des Wärmepulses variieren, der Verlauf sollte jedoch für die einzelnen Messungen gleich sein. Es ist möglich den gesamten Temperaturverlauf während des Heizpulses zu analysieren oder aber auch an defi- nierten Zeitpunkten. Wichtig ist, dass die Ausbreitungsfront der Wärme zum Zeit- punkt der Messung innerhalb des gewünschten Messvolumens verbleibt bzw. der Kontakt mit der Umgebung außerhalb des gewünschten Messvolumens noch nicht auf die Messung am Sensor zurückwirken kann. The heat flow itself may vary during the heat pulse, but the course should be the same for each measurement. It is possible to analyze the entire temperature curve during the heating pulse or at defined times. It is important that the propagation front of the heat remains within the desired measurement volume at the time of the measurement or that the contact with the environment outside the desired measurement volume can not yet have an effect on the measurement on the sensor.
Das Heizelement des Feuchtigkeitssensors ist durch eine dünne elektrisch nicht leitfähige Schicht von der Umgebung geschützt, welche eine möglichst geringe Wär- mekapazität und eine hohe Wärmeleitung aufweist. Als Temperatursensor kann das Heizelement selbst verwendet werden, in dem sein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand überwacht und ausgewertet wird, o- der es ist ein direkt an dem Heizelement angebrachter Temperatursensor vorgese- hen, der selbstverständlich ebenfalls mit der Auswerteschaltung und der Steuerein- heit gekoppelt ist. Selbstverständlich kann die Steuereinheit neben Speicherele- menten, Schnittstellen und CPU weitere elektronische Bauteile umfassen, insbe- sondere auch mit Eingabe- und/oder Ausgabeeinheiten gekoppelt oder zur drahtlo- sen Datenübertragung ausgebildet sein. Die Energieversorgung kann stationär über ein Netzteil oder aber auch in Form einer Batterie für z.B. mobile Anwendungen oder körpernahen Anwendungen erfolgen. Durch die Wahl der Wärmepulslänge, der Intensität oder auch der Häufigkeit einer Messung kann der Energieverbrauch an die jeweilige Situation angepasst werden. The heating element of the moisture sensor is protected by a thin electrically non-conductive layer from the environment, which has the lowest possible heat capacity and high heat conduction. As a temperature sensor, the heating element itself can be used, in which its temperature-dependent electrical resistance is monitored and evaluated, o- there is a directly attached to the heating element temperature sensor provided, which is of course also coupled to the evaluation circuit and the control unit. Of course, in addition to memory elements, interfaces and CPU, the control unit may comprise further electronic components, in particular also being coupled to input and / or output units or designed for wireless data transmission. The power supply can be stationary via a power supply or in the form of a battery for eg mobile applications or body-near applications. By choosing the heat pulse length, the intensity or the frequency of a measurement, the energy consumption can be adapted to the respective situation.
Das von dem Feuchtigkeitssensor unmittelbar erfasste Messvolumen kann aus dem auf seinen Feuchtigkeitsgehalt zu untersuchenden Material bestehen. Alternativ ist es möglich, den Feuchtigkeitssensor in ein mit dem zu untersuchenden Material in engem Feuchteaustausch stehendes Referenzmaterial einzubetten. Das auf seinen Feuchtigkeitsgehalt zu untersuchende Medium kann somit z.B. ein Textil selbst sein und unmittelbar auf den Feuchtigkeitssensor wirken oder aber mittelbar über das mit dem Feuchtigkeitssensor fest verbundene und feuchteaufnehmende Referenz- material, das in einem Feuchteaustausch mit der Umgebung steht. Ist die Was- seraufnahme im Referenzmaterial annähernd hysteresefrei sowie schnell genug im Vergleich zu der Änderung des Wassergehaltes der Umgebung, dann lässt sich der Feuchtegehalt im Referenzmaterial als Aquipotentialwert, der in der Bodenphysik oft als„Saugspannung" bezeichnet wird, für die Umgebungsfeuchte annehmen. The measurement volume directly detected by the moisture sensor can consist of the material to be examined for its moisture content. Alternatively, it is possible to embed the moisture sensor in a reference material in close moisture exchange with the material to be examined. The medium to be examined for its moisture content can thus be used e.g. a textile itself and act directly on the moisture sensor, or indirectly via the moisture-sensor firmly attached and moisture-absorbing reference material, which is in a moisture exchange with the environment. If the water absorption in the reference material is virtually hysteresis-free and fast enough in comparison to the change in the water content of the environment, then the moisture content in the reference material can be taken as the Aquipotential value, which is often referred to in soil physics as "suction stress", for the ambient humidity.
Der zum Heizen und zur Temperaturmessung geeignete Feuchtigkeitssensor kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden und entsprechend in die Messumgebung integriert werden. Beim Aufbau des Feuchtigkeitssensors sollte da- rauf geachtet werden, dass die Wärmekapazität seiner Struktur gering ist und der Kontakt zu dem zu untersuchenden Material, das auch als Messkörper bezeichnet werden kann, zur Erfassung der Feuchte ausreichend gut ist. Es ist möglich, eine Struktur des Feuchtigkeitssensors auf einem konventionellen Schaltungsträger, z. B. einer Leiterplatte, aufzubauen. Alternativ kann die Sen- sorstruktur auf einem flexiblen Schaltungsträger, z. B. einer Folie, oder einem fle- xiblen und dehnbaren Schaltungsträger, z. B. einer dehnbaren Folie, aufgebracht werden, so dass sich der Feuchtigkeitssensor eng an das zu überwachende bzw. zu untersuchende Material anschmiegen oder in das Material eingebaut werden kann, z. B. in ein Textil. The moisture sensor suitable for heating and for temperature measurement can be realized in different ways and correspondingly integrated into the measuring environment. When constructing the moisture sensor, care should be taken that the heat capacity of its structure is low and the contact with the material to be investigated, which can also be referred to as a measuring body, is sufficiently good for detecting the moisture. It is possible to have a structure of the humidity sensor on a conventional circuit carrier, e.g. B. a circuit board to build. Alternatively, the sensor structure on a flexible circuit carrier, for. As a foil, or a flexible and stretchable circuit carrier, for. As a stretchable film, are applied, so that the moisture sensor can closely conform to the monitored or to be examined material or incorporated into the material, for. B. in a textile.
Bevorzugt umfasst der Feuchtigkeitssensor ein Dünnschicht-Heizelement aus Gold, das auf ein dünnes, folienartiges Polyimid-Substrat oder eine dünne flexible Po- lyurethanfolie aufgetragen ist. Der Wärmepuls breitet sich vom Heizleiter durch die dünne elektrisch nicht leitfähige Schicht aus und reagiert anschließend auf die Feuchte der unmittelbaren Sensorumgebung. The moisture sensor preferably comprises a gold thin-film heating element which is applied to a thin film-like polyimide substrate or a thin flexible polyurethane film. The heat pulse propagates from the heat conductor through the thin electrically non-conductive layer and then reacts to the humidity of the immediate sensor environment.
Als weitere Option kann die Struktur auch als Faden, Faser, Draht oder als leitfähi ges Garn ausgebildet sein und entsprechend in z.B. textiles Gewebe, d.h. unmittel- bar in Kleidung oder Schuhwerk, eingebunden werden. Hierdurch können Textilien mit weitgehend integrierter Sensorstruktur aufgebaut werden, die nicht den norma- len Feuchtetransport des Textils bzw. des Kleidungsstücks stören, wodurch wesent- liche Vorteile im Aufbau intelligenter Bekleidung erzielbar sind. As a further option, the structure may also be formed as a thread, fiber, wire or as a conductive yarn and may be made into e.g. textile fabric, i. directly in clothing or footwear. As a result, textiles with a largely integrated sensor structure can be constructed which do not disturb the normal moisture transport of the textile or the garment, whereby substantial advantages in the construction of intelligent clothing can be achieved.
Die thermische Feuchtemessmethode ist robust gegenüber vielerlei Störeinflüsse wie z.B. ionische Verunreinigungen, parasitäre Kapazitäten oder elektrische Stör- felder, weshalb sie auch in einer harschen Umgebung, also insbesondere realitäts nah und unter besonderer Beanspruchung durch einen Träger der Bekleidung so- wie Umwelteinflüsse, eingesetzt werden kann. Bei der thermischen Feuchtemess- methode handelt es sich darüber hinaus um eine zerstörungsfreie Methode, so dass der Feuchtigkeitssensor direkt am Material anwendbar ist, ohne dass eine Probe von dem Material abgetrennt werden muss. Durch den kurzen Wärmepuls oder Hit- zepuls ist es möglich den Messbereich auf einen kleinen Bereich zu beschränken. Es ist also möglich dünne Schichten zu vermessen ohne eine größere Beeinflus- sung der weiteren Umgebung hinnehmen zu müssen. The thermal moisture measurement method is robust against many disturbing influences such as eg ionic impurities, parasitic capacitances or electrical interference fields, which is why it can also be used in a harsh environment, in particular close to reality and under special stress by a wearer of the clothing as well as environmental influences , In addition, the thermal moisture measurement method is a nondestructive method so that the moisture sensor can be directly applied to the material without having to separate a sample from the material. Due to the short heat pulse or heat pulse, it is possible to limit the measuring range to a small range. It is therefore possible to measure thin layers without having to accept a larger influence on the wider environment.
Im Gegensatz zu vielen anderen Messmethoden, wie z. B. der kapazitiven Feuch- temessung, ist die thermische Feuchtemessmethode auch in Bereichen mit sehr hoher Materialfeuchte sehr sensitiv. Wird der Feuchtigkeitssensor in Form einer fa- denähnlichen Struktur in ein Textil eingearbeitet, können verschiedene Messaufga- ben im Bereich Sport, Gesundheit, Ambient Assisted Living (AAL) relativ einfach gelöst werden, ohne den normalen Feuchtetransport zu beeinflussen. Ebenso ist es möglich Sensoren auf Basis von perforierten Folien aufzubauen, so dass der nor- male Feuchtetransport nicht behindert wird. Unlike many other measurement methods, such as. As the capacitive moisture measurement, the thermal moisture measurement method is very sensitive even in areas with very high moisture content. If the moisture sensor is incorporated into a textile in the form of a fiber-like structure, various measurement tasks in the field of sports, health and ambient assisted living (AAL) can be solved relatively easily, without affecting the normal moisture transport. It is also possible to build sensors based on perforated foils, so that the normal moisture transport is not hindered.
Aufgrund der robusten Arbeitsweise des Messprinzips ist der Feuchtigkeitssensor in körpernah getragenen Systemen verwendbar, beispielsweise in tragbaren Elekt- ronikgeräten (Wearables) oder direkt in Textilien bzw. Bekleidung, insbesondere Funktions- oder Schutzbekleidung, um das Feuchteklima zu quantifizieren oder aber auch Ventilationssysteme aktiv zu steuern. Durch die sehr kurzen Heizpulse sind energiesparende kleine Systeme möglich. Die Ventilationssysteme selbst kön- nen aktiver oder passiver Natur sein, z.B. Klappen oder Ventilatoren. Due to the robust operation of the measuring principle, the moisture sensor can be used in systems worn close to the body, for example in portable electronic devices (wearables) or directly in textiles or clothing, in particular functional or protective clothing, in order to quantify the humidity climate or else to actively control ventilation systems , Due to the very short heating pulses, energy-saving small systems are possible. The ventilation systems themselves may be active or passive in nature, e.g. Flaps or fans.
Auch für die Bestimmung der Hautfeuchte ist das Sensorkonzept anwendbar. Ins- besondere im Stratum Corneum, also der Hornschicht der Haut, wurden gute Er- gebnisse erhalten. In tieferen Hautschichten, also jenseits des Stratum Corneum, kann ein Unterschied im Kurvenverlauf erkannt werden, wenn der Körper stark nor- mal hydriert, hyperhydriert und/oder dehydriert ist. Dies kann für die kosmetische und/oder medizinischen Anwendungen genutzt werden. The sensor concept can also be used to determine the skin moisture. Especially in the stratum corneum, ie the horny layer of the skin, good results were obtained. In deeper skin layers, ie beyond the stratum corneum, a difference in the course of the curve can be recognized if the body is strongly normal hydrogenated, hyperhydrated and / or dehydrated. This can be used for cosmetic and / or medical applications.
Es kann ein Messgerät vorgesehen werden, welches beispielsweise einem Nutzer signalisiert, dass er nicht ausreichend genug getrunken hat. Die Signalisierung kann beispielsweise durch eine App auf einem externen Computer, wie einem Smart Phone, und/oder direkt an dem Messgerät erfolgen. Wesentlich ist die Möglichkeit der Steuerung des Abstandes vom Heizelement in dem die Messung des Feuchtegehaltes erfolgt. Dies geschieht über die zeitliche Steuerung des Heizpulses und unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsge- schwindigkeit des Wärmepulses im Material sowie der unterschiedlichen Tempera- tureffekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten und Wärmeleitfähig- keiten je nach Feuchtegehalt. Die Ausbreitung der Wärme im Material ist abhängig von dessen Temperaturleitfähigkeit und variiert im günstigsten Fall nur sehr gering mit dem Feuchtegehalt. It can be provided a meter, which signals, for example, a user that he has not drunk enough. The signaling can be done for example by an app on an external computer, such as a smart phone, and / or directly on the meter. Essential is the possibility of controlling the distance from the heating element in which the measurement of the moisture content takes place. This takes place via the temporal control of the heating pulse and taking advantage of the finite propagation velocity of the heat pulse in the material and the different temperature effects due to the different heat capacities and heat conductivities depending on the moisture content. The propagation of heat in the material depends on its thermal diffusivity and, in the most favorable case, varies only very slightly with the moisture content.
Im einfachsten Fall kann man den räumlichen Messbereich durch die zeitliche Be- grenzung der Messzeit limitieren und so die Messung auf eine dünne Schicht um den Feuchtigkeitssensor begrenzen. Möglich ist auch eine Analyse von über die Laufzeit des Wärmepulses definierten Schichten in einem gewissen Abstand vom Heizelement. In the simplest case, one can limit the spatial measuring range by limiting the time of the measurement, thus limiting the measurement to a thin layer around the moisture sensor. It is also possible to analyze layers defined over the duration of the heat pulse at a certain distance from the heating element.
Der Sensor kann unterschiedlich aufgebaut werden. Praktikable Ausführungsfor- men sind z.B. dünne Leiterbahnen aus Gold auf einer sehr dünnen Polyimidfolie oder einer dünnen flexiblen Polyurethanfolie oder aber auch als Halbleiterbauele- ment oder dünne leitfähige Fäden. Statt Folien können auch gelochte oder netzar- tige Strukturen zum Einsatz kommen. Essentiell ist, dass die Wärmekapazität durch eine miniaturisierte Bauform, z.B. in Dünnschichttechnik oder Mikrotechnik, sehr klein gehalten werden kann, was die Sensorempfindlichkeit verbessert. Durch die mikrotechnische Ausführung können sehr dünne (Nanometer bis Millimeter) und großflächige Sensoren hergestellt werden. Das Heizelement wird im Verhältnis zur Kontaktfläche des Sensors nicht oder unterproportional vergrößert. Dadurch kön- nen sehr dünne Schichten von z.B. ca. 10 - 200 Mikrometer gemessen werden. The sensor can be structured differently. Practical embodiments are e.g. thin printed conductors made of gold on a very thin polyimide film or a thin flexible polyurethane film or as a semiconductor device or thin conductive filaments. Instead of foils, perforated or reticulated structures can also be used. It is essential that the heat capacity be reduced by a miniaturized design, e.g. in thin film technology or microtechnology, can be kept very small, which improves the sensor sensitivity. Due to the microtechnical design, very thin (nanometers to millimeters) and large-area sensors can be produced. The heating element is not or disproportionately increased in relation to the contact surface of the sensor. As a result, very thin layers of e.g. about 10 - 200 microns are measured.
Dies ist nur möglich, wenn die Wärmekapazität pro Kontaktfläche sehr klein ist. Der Sensor kann Gold einer Dicke von 200 nm zwischen zwei 4 pm dicken Polyimid- Folien umfassen. Die Fläche kann beliebig groß sein, wobei in der Regel in etwa 1 cm2 verwendet werden. Die große Fläche erlaubt einen guten, flächigen Kontakt zwischen Messfühler und Textil. Das Textil kann auch mit dem Messfühler z.B. durch Kleben, thermisch Bonden oder Nähen bzw. Sticken, verbunden werden, was den Kontakt noch verbessert. This is only possible if the heat capacity per contact surface is very small. The sensor may comprise 200 nm thick gold between two 4 μm polyimide films. The area can be arbitrarily large, being generally used in about 1 cm 2 . The large surface area allows good, flat contact between the sensor and the textile. The textile can also be used with the probe eg by gluing, thermally bonding or sewing or embroidering, which further improves the contact.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläu- ternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert. It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations. The scope of the invention is defined only by the claims.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug- nahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert. The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, 1 is a schematic representation of an arrangement for carrying out the method according to the invention,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Wärmeverteilung, 2 is a schematic representation of a heat distribution,
Fig. 3 Diagramme zur Darstellung der Zusammenhänge zwischen der Fig. 3 diagrams illustrating the relationships between the
Fleizleistung und der Temperatur über die Zeit in trockenem und feuchtem Material,  Fleece performance and temperature over time in dry and moist material,
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Eindringtiefe der Wärme in das Fig. 4 is a diagram showing the penetration depth of the heat in the
Messmaterial und die Umgebung über der Zeit,  Measurement material and the environment over time,
Fig. 5 ein Diagramm einer Feuchtigkeitsmessung, gezeigt mit den unter- schiedlichen Zeitbereichen, die durch die Sensorumgebung beein- flusst werden, 5 shows a diagram of a moisture measurement, shown with the different time ranges, which are influenced by the sensor environment,
Fig. 6 ein Diagramm einer Feuchtemessung, in dem die Widerstands- so- wie die berechnete Temperaturänderung des Sensors über der Zeit aufgetragen sind, wobei unterschiedliche Feuchtezustände gezeigt sind (W=Wet, feucht; D=Dry, trocken), Fig. 7 ein Diagramm einer Feuchtemessung an der Haut eines Unterarms bei befeuchteter (H) und normal trockener (N) äußerer Hautschicht. 6 shows a diagram of a moisture measurement in which the resistance and the calculated temperature change of the sensor are plotted over time, wherein different moisture states are shown (W = wet, D = dry, dry), Fig. 7 is a diagram of a measurement of moisture on the skin of a forearm with moistened (H) and normal dry (N) outer skin layer.
Der Feuchtigkeitssensor 1 umfasst eine Struktur 2, auf dem ein Heizelement 3 an- geordnet ist, das über elektrische Anschlüsse 4 mit einer elektronischen Steuerein- heit 5, die eine Auswerteschaltung 6 und selbstverständlich neben Speicherelemen- ten auch eine CPU umfasst, und einer Energiequelle 7, beispielsweise in Form einer Batterie oder eines Akkumulators gekoppelt ist, um das Heizelement 3 für eine vor- gegebene Zeitspanne mit einem definierten Heizstrom zu beaufschlagen und derart einen Heizpuls oder Wärmepuls zu erzeugen und die Temperaturerhöhung zur Er- mittlung des Feuchtegehalts des Materials, dem der Feuchtigkeitssensor 1 zuge- ordnet ist, zu messen. The moisture sensor 1 comprises a structure 2, on which a heating element 3 is arranged, which via electrical connections 4 with an electronic control unit 5, which includes an evaluation circuit 6 and of course in addition to Speicherememen- also a CPU, and an energy source. 7 is coupled, for example in the form of a battery or a rechargeable battery, to apply a defined heating current to the heating element 3 for a given period of time and thus to generate a heat pulse or heat pulse and the temperature increase for determining the moisture content of the material, the Moisture sensor 1 is assigned to measure.
Das Heizelement 3 ist als ein Dünnschicht-Heizelement ausgebildet, das auf der dünnen Polyimid-Struktur 2 aufgedampftes Gold umfasst und mit einer weiteren Po- lyimid-Schicht abgekapselt ist. Andere Materialien und Herstellungsverfahren sind möglich. The heating element 3 is designed as a thin-film heating element, which comprises gold evaporated on the thin polyimide structure 2 and is encapsulated with a further polyimide layer. Other materials and manufacturing processes are possible.
Fig. 2 ist zu entnehmen, dass die durch die Pfeile 10 angedeutete Wärmeverteilung ausgehend von dem Feuchtigkeitssensor 1 in das zu untersuchende bzw. zu über- wachende Material 8, bei dem es sich beispielsweise um ein Textil eines Beklei- dungsstückes, einer Windel oder auch um Haut handeln kann, erfolgt und innerhalb der Messzeit nicht darüber hinaus in die Umgebung 9. 2, it can be seen that the heat distribution indicated by the arrows 10, starting from the moisture sensor 1, into the material 8 to be examined or monitored, which is, for example, a textile of a piece of clothing, a diaper or also can act around skin, and within the measuring time beyond that in the environment 9.
Nach Fig. 3 ist veranschaulicht, wie sich der sprunghafte Verlauf eines Wär- mestroms Q über die Zeit t gemäß dem Linienverlauf 1 1 auf eine Kerntemperatur T über die Zeit t auswirkt, wobei die Kurve 12 an trockenem Material 8 und die Kurve 13 an feuchtem/nassem Material 8 ermittelt ist. Aufgrund des hohen Wärmeein- dringkoeffizienten von Wasser wird Wärme durch das Material 8 mit höherem Was- sergehalt besser von dem Feuchtigkeitssensor 1 abgeführt. Andere Verläufe des Wärmestroms, wie z.B. ein sehr kurzer Puls, sind ebenfalls möglich. Eine Darstellung der Eindringtiefe x der Wärme bzw. des Wärmestroms des Heiz- pulses in das Material 8 in Abhängigkeit von der Zeit t, ist Fig. 4 zu entnehmen, wobei mit zunehmender Zeit auch die Eindringtiefe zunimmt. Die Eindringtiefe ist eine Wurzelfunktion der Zeit und der Temperaturleitfähigkeit der Umgebung und lässt sich über Methoden der statistischen Physik beschreiben. Auch nach dem Ab- schalten des Heizstromes breitet sich die Wärme weiterhin aus. Daher ist es z.B. auch möglich, lediglich einen kurzen Heizpuls zu verwenden und nach diesem das Abkühlverhalten des Feuchtigkeitssensors 1 zu betrachten. FIG. 3 illustrates how the erratic course of a heat flow Q over time t according to the course of the line 1 1 affects a core temperature T over time t, wherein the curve 12 on dry material 8 and the curve 13 on humid / wet material 8 is determined. Due to the high heat input coefficient of water, heat is better dissipated by the moisture sensor 1 due to the material 8 having a higher water content. Other courses of the heat flow, such as a very short pulse, are also possible. An illustration of the penetration depth x of the heat or of the heat flow of the heating pulse into the material 8 as a function of the time t, is shown in FIG. 4, whereby the penetration depth also increases with increasing time. The penetration depth is a root function of the time and the thermal diffusivity of the environment and can be described by methods of statistical physics. Even after switching off the heating current, the heat continues to spread. Therefore, it is also possible, for example, to use only a short heat pulse and to look at the cooling behavior of the moisture sensor 1 after this.
Fig. 5 stellt dar, wie sich die Temperatur T des Feuchtigkeitssensors 1 bei einem sprunghaften Wärmestrom Q verhält. Abhängig von der Zeit t wird der Temperatur- verlauf durch die Polyimid-Struktur 2 des Feuchtigkeitssensors 1 , anschließend durch die unmittelbare Sensorumgebung, nämlich dem Material 8 und dessen Feuchtegehalt, und bei längerer Messung durch die sich an das Material 8 anschlie- ßende Umgebung 9 beeinflusst. Durch die Betrachtung eines bestimmten Zeitinter- valls kann der Einfluss der Umgebung 9 aus der Feuchtemessung diskriminiert wer- den. D.h. die Feuchtemessung ist auf die unmittelbare Sensorumgebung gezielt zu begrenzen. Fig. 5 illustrates how the temperature T of the humidity sensor 1 behaves at a sudden heat flow Q. Depending on the time t, the temperature progresses through the polyimide structure 2 of the moisture sensor 1, then through the immediate sensor environment, namely the material 8 and its moisture content, and, during a longer measurement, through the environment 9 adjoining the material 8 affected. By considering a specific time interval, the influence of the environment 9 on the moisture measurement can be discriminated. That the humidity measurement must be limited to the immediate sensor environment.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm mit dem typischen Signalverlauf einer simulierten Mes- sung an einem textilen Material 8 und sechs unterschiedlichen Feuchtezuständen von lufttrocken (D) bis hin zu vollständig durchnässt (W). Dargestellt ist die Wider- standsänderung des Heizelementes (AR/R), sowie dessen Temperaturänderung in willkürlichen Einheiten, welche beide in direktem Zusammenhang stehen (PTC-Wi- derstandseigenschaften). Der Zeitbereich von 100ms bis 300ms (Mx) ist für diese Messung geeignet, um die Feuchtigkeit in dem Textil abzuschätzen. Bei kürzeren Zeiten könnte es sein, dass der Wärmepuls im Polyimid verbleibt, während er bei längeren Zeiten die weitere und nicht zu vermessende Umgebung erreicht. 6 shows a diagram with the typical signal course of a simulated measurement on a textile material 8 and six different moisture states from air-dried (D) to completely soaked (W). Shown is the resistance change of the heating element (AR / R) and its temperature change in arbitrary units, both of which are directly related (PTC resistance properties). The time range of 100ms to 300ms (Mx) is suitable for this measurement to estimate the moisture in the fabric. At shorter times, the heat pulse may remain in the polyimide, while at longer times it may reach the wider and unmeasurable environment.
Fig. 7 zeigt eine Beispielmessung an der Haut, bei der die relative Widerstandsän- derung über der Wurzel der Zeit aufgetragen wurde. Die Kurvensteigung in dieser Darstellung ist eine direkte Funktion des Wärmeeindringkoeffizienten der Umge- bung. Gezeigt ist eine Messung am linken Unterarm eines Probanden bei normal trockener Haut (N) und befeuchteter Haut (H), bei der die äußere Hautschicht (Stra- tum Corneum) zuvor durch Auflegen eines nassen Textils befeuchtet wurde. Bis zu dem Zeitpunkt von etwa t = 10 ms, also Wurzel(t) = 0.1 s0 5, misst der Sensor die Feuchte in der äußersten Hautschicht. In diesem Bereich (Mx_1 ) unterscheiden sich die Steigungen der beiden Messkurven, was dem unterschiedlichen Feuchtegehalt der Haut entspricht. Ab Wurzel(t) = 0,1 s0 5, hat der Wärmepuls das Stratum Cor- neum durchlaufen und die tieferen Hautschichten erreicht. In diesem Bereich (Mx_2) wird die Hautfeuchte durch die Körperkonstitution (z.B. Wasseranteil im Kör- per) beeinflusst und nicht mehr durch die äußeren Einflüsse. Die Hautfeuchte jen- seits des Stratum Corneum ist in dieser Messung gleich. Deshalb verlaufen im Be- reich Mx 2 die beiden Kurven parallel. Der Effekt von oberflächlich feuchter Haut oder Hautcremes kann durch das gewählte zeitliche Messfenster diskriminiert wer- den. FIG. 7 shows an example measurement on the skin in which the relative resistance change was plotted over the root of the time. The curve slope in this Representation is a direct function of the heat penetration coefficient of the environment. Shown is a measurement on the left forearm of a subject in normal dry skin (N) and moisturized skin (H), in which the outer skin layer (trauma corneum) was previously moistened by applying a wet textile. Until the time of about t = 10 ms, ie root (t) = 0.1 s 0 5 , the sensor measures the moisture in the outermost skin layer. In this area (Mx_1), the slopes of the two curves differ, which corresponds to the different moisture content of the skin. From root (t) = 0.1 s 0 5 , the heat pulse has passed through the stratum corneum and reached the deeper skin layers. In this area (Mx_2) the skin moisture is influenced by the body constitution (eg water content in the body) and no longer by the external influences. The skin moisture on the other side of the stratum corneum is the same in this measurement. Therefore, in the area Mx 2 the two curves run parallel. The effect of superficially moist skin or skin creams can be discriminated against by the selected temporal measuring window.
Bezugszeichen reference numeral
1. Feuchtigkeitssensor 1. Moisture sensor
2. Struktur  2. Structure
3. Heizelement  3. heating element
4. Anschluss  4. Connection
5. Steuereinheit  5th control unit
6. Auswerteschaltung  6. Evaluation circuit
7. Energiequelle  7. Energy source
8. Material  8. Material
9. Umgebung  9. environment
10. Pfeil  10. arrow
11. Linienverlauf  11. Line History
12. Kurve  12th curve
13. Kurve  13th curve
Q Wärmestrom Q heat flow
t Zeit t time
T Temperatur  T temperature
x Eindringtiefe x penetration depth
Mx Messbereich  Mx measuring range
D trocken  D dry
W nass  W wet
N Normal  N Normal
H Hydriert  Hydrogenated

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Ermittlung des Feuchtegehalts eines Feuchtigkeit aufnehmen- den Materials (8), insbesondere eines Textils, oder eines Feuchtigkeit ent- haltenden Materials, insbesondere Flaut, mit einem ein Fleizelement (3) um- fassenden Feuchtigkeitssensor (1 ), der mit einer Steuereinheit (5) und einer Auswerteschaltung (6) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zeitliche Steuerung und Analyse der Temperaturänderung des Fleizele- mentes (3) unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit ei- nes Wärmepulses im Material (8) sowie der unterschiedlichen Temperaturef- fekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten oder Wärmeein- dringkoeffizienten je nach Feuchtegehalt ein Abstand zu dem Fleizelement (3), in dem der Feuchtegehalt gemessen wird, beeinflusst wird, wobei die Steuereinheit (5) das Fleizelement (3) für eine vorgegebene Zeitspanne mit einem definierten Fleizstrom beaufschlagt und der Temperaturverlauf, also die zeitabhängige Temperaturänderung, zur Ermittlung des Feuchtegehalts gemessen wird. 1. A method for determining the moisture content of a moisture-absorbing material (8), in particular a textile, or a moisture-containing material, in particular flaut, with a moisture sensor (1) comprising a Fleizelement (3), with a Control unit (5) and an evaluation circuit (6) is coupled, characterized in that by the timing and analysis of the temperature change of the Fleizele- mentes (3) taking advantage of the finite propagation speed of a heat pulse in the material (8) and the different Temperaturef depending on the moisture content, a distance to the Fleizelement (3), in which the moisture content is measured, is influenced, wherein the control unit (5) the Fleizelement (3) for a predetermined period of time with a defined Fleizstrom applied and the temperature profile, so the time-dependent temperature change is measured to determine the moisture content.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch die Aus- werteschaltung (6) die Temperaturänderung während und/oder nach der Fleizstrombeaufschlagung des Fleizelementes (3) durch die Erfassung des Temperaturwiderstandes des Fleizelements (3) oder ein Signal eines an dem Fleizelement (3) angeordneten Temperatursensors erfasst wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that by the evaluation circuit (6), the temperature change during and / or after the Fleizstrombeaufschlagung the Fleizelementes (3) by detecting the temperature resistance of the Fleizelements (3) or a signal on the Fleizelement (3) arranged temperature sensor is detected.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) die Flöhe des Fleizstroms und die Dauer der Fleiz- strombeaufschlagung variiert, wobei der Verlauf des Fleizstroms bei einzel- nen Messungen der Temperatur gleich ist. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the control unit (5) varies the fleas of the Fleizstroms and the duration of Fleizstrombeaufschlagung, wherein the course of the Fleizstroms is the same for individual measurements of the temperature.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) die Flöhe des Fleizstroms und die Dauer der Fleiz- strombeaufschlagung in Abhängigkeit von dem Momentanwert der Tempe- ratur oder der Geschwindigkeit des Temperaturstiegs variiert. 4. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the control unit (5) varies the fleas of the Fleizstroms and the duration of Fleizstrombeaufschlagung depending on the instantaneous value of the temperature or the rate of temperature rise.
5. Feuchtigkeitssensor (1 ) mit einem Heizelement (3) und einem Temperatur- sensor, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) von einer elektrisch nichtleitenden Schicht umgeben ist. 5. Moisture sensor (1) with a heating element (3) and a temperature sensor, characterized in that the heating element (3) is surrounded by an electrically non-conductive layer.
6. Feuchtigkeitssensor (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Struktur (2) des Feuchtigkeitssensors einen flexiblen Schaltungsträger umfasst. 6. Moisture sensor (1) according to claim 5, characterized in that a structure (2) of the moisture sensor comprises a flexible circuit carrier.
7. Feuchtigkeitssensor (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2) des Feuchtigkeitssensors (1 ) als eine aus einem Polyimid oder einem Polyurethan gefertigte Folie ausgebildet ist. 7. Moisture sensor (1) according to claim 5, characterized in that the structure (2) of the moisture sensor (1) is formed as a made of a polyimide or a polyurethane film.
8. Feuchtigkeitssensor (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2) gelocht oder perforiert ist. 8. Moisture sensor (1) according to claim 6 or 7, characterized in that the structure (2) is perforated or perforated.
9. Feuchtigkeitssensor (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (2) des Feuchtigkeitssensors (1 ) fadenförmig oder faserför- mig ausgebildet ist. 9. Moisture sensor (1) according to claim 5 or 6, characterized in that the structure (2) of the moisture sensor (1) is thread-like or fiber-shaped.
10. Feuchtigkeitssensor (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (3) aus einer Goldfolie gefertigt ist. 10. Moisture sensor (1) according to claim 5, characterized in that the heating element (3) is made of a gold foil.
11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitssensor (1 ) unmittelbar in das zu unter- suchenden Material (8) eingebunden oder benachbart zu dem zu überwa- chenden Material angeordnet ist. 11. Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the moisture sensor (1) is incorporated directly into the material to be examined (8) or adjacent to the material to be monitored.
12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitssensor (1 ) in ein Referenzmaterial ein- gebettet ist, das mit dem zu untersuchenden Material (8) in Verbindung steht. 12. Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the moisture sensor (1) is embedded in a reference material, which is in communication with the material to be examined (8).
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