DE1229321B

DE1229321B - Messelement fuer ein elektrisches Hygrometer

Info

Publication number: DE1229321B
Application number: DES76479A
Authority: DE
Inventors: John Leonard Shaw
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1961-10-30
Filing date: 1961-10-30
Publication date: 1966-11-24

Description

Meßelement für ein elektrisches Hygrometer Die Erfindung betrifft ein Meßelement für ein elektrisches Hygrometer, bei weichem als Meßgröße lediglich die Kapazität des MeßeIementes dient und das aus einem metallischen Träger, einer darauf befindlichen porösen Oxydschicht und einer dünnen, auf der Außenfläche der Oxydschicht angeordneten, elektrisch leitenden Schicht Elektrode) besteht.
Es ist bekannt, als Meßelement für elektrische Hygrometer einen metallischen Träger aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, z. B. eine Platte, Scheibe oder Nadel, zu verwenden, der mit einer als Dielektrikum dienenden, sehr dünnen porösen feuchtigkeitsempfindlichen Schicht, z. B. aus Aluminiumoxyd, versehen ist und an der Außenfläche dieser Schicht mit einer hauchdünnen elektrisch leitenden Schicht, z. B. aus Graphit oder aus in Vakuum aufgedampftem Metall, z. B. Gold, abgedeckt ist, die eine Außenelektrode bildet. Als Meßgröße dient hierbei entweder der ohmsche Widerstand oder die Kapazität der feuchtigkeitsempfindlichen Schicht. Solchen Meßelementen hat man zwar im Vergleich zu bekannten Meßelementen anderer Ausführung eine hohe Empfindlichkeit zugeschrieben, doch hat sich ergeben, daß die Empfindlichkeit unter Vergrößerung des Ansprechbereiches noch wesent-Iich erhöht werden kann.
Ferner ist es bekannt, die Elektroden eines Meßelementes für elektrische Hygrometer als Folien einseitig auf einem plattenförmigen Trägerkörper mit feuchteabhängigem elektrischem Widerstand urznordnen und hierfür Folien oder keramische Stoffe zu verwenden, die mit metallischen Leitlacklösungen ausgerüstet sind, wobei dem Folienmaterial zur Erhöhung seiner Feuchtigkeitsempfindlichkeit Lithiumchlorid oder andere hygroskopische Stoffe beigemischt sein können.
Schließlich ist es bekannt, HygrometereIemente aus porösem Werkstoff, z. B. gebranntem Aluminiumsilikat, herzustellen, die mit hygroskopischen Salzen, wie Calciumnitrat, Lithiumfluorid oder Lithiumcarbonat, imprägniert sind und mit linien-, band-oder gitterförmigen Elektroden versehen werden.
Das Imprägnieren des porösen Grundstoffes erfolgt mit Salzlösungen, die in den porösen Werkstoff eindringen und in den Poren trocknen.
Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Meßelement für ein elektrisches Hygrometer, bei dem als Meßgröße die Kapazität des Meßelementes dient, bestehend aus einem metallischen Träger, einer darauf befindlichen porösen Oxydschicht und einer dünnen, auf der Außenfläche der Oxydschicht angeordneten, elektrisch leitenden Schicht (Elektrode) dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschicht in an sich bekannter Weise mit der wäßrigen Lösung einer hygroskopischen Substanz getränkt ist und daß die wäßrige Lösung die Poren der Oxydschicht nur teilweise ausfüllt, ohne eine leitende Verbindung zwischen dem Träger und der Elektrode zu bilden.
Die Erfindung unterscheidet sich damit hinsichtlich des Meßverfahrens von den Meßelementen, welche eine hygroskopische Substanz verwenden, denn dort wird der veränderliche ohmsche Widerstand der hygroskopischen Substanz direkt als Meßgröße in einem Widerstandsmeßkreis verwendet; andererseits sind die bekannten, mit kapazitiven Meßverfahren arbeitenden Meßelemente ohne die empfindlichkeitssteigernde Wirkung der wäßrigen Lösung einer hygroskopischen Substanz ausgebildet.
Diese Empfindlichkeitssteigerung beruht darauf, daß die Lösung den Raum zwischen dem Träger und der Oberflächenelektrode mehr oder weniger ausfüllt, so daß die Kapazität der gebildeten Grenzfläche gegenüber dem Träger nach Art eines Elektrolytkondensators mit der an der Deckelektrode herrschenden Feuchtigkeit schwankt. Wesentlich ist, daß die wäßrige Substanz keine leitende Verbindung zwischen dem Träger und der Deckelektrode bildet, da sonst eine kapazitive Messung wegen Kurzschlusses der beiden Elektroden nicht mehr möglich wäre.
Deshalb muß die wäßrige Lösung der hygroskopi- schen Substanz äußerst dünn auf die poröse Oxydschicht aufgebracht werden. Nur so kann erreicht werden, daß Feuchtigkeitsänderungen zu Dickenänderungen des mit der wäßrigen Lösung ausgefüllten Teils der Oxydschicht und damit zu einer erheblichen Kapazitätsänderung führen.
Durch die Erfindung werden gegenüber den bekannten Meßelementen die Empfindlichkeit und der Ansprechbereich bkfrächtlich erhöht. Während die eingangs erwähnter Meßelemente in einem Bereich von etwa 20 bis 100 O/o relativer Feuchtigkeit brauchbar sind, wird durch die Erfindung die Empfindlichkeit des Meßelementes etwa um das Hundertfache gesteigert, so daß das Meßelement selbst noch bei nahezu trockener Atmosphäre arbeitet, wenn die relative Luftfeuchtigkeit nur zwischen 0,0001010 und etwa 5 O/o beträgt, wobei der erstgenannte Wert noch nicht die untere Grenze der Meßempfindlichkeit darstellt.
Die in die Poren der dielektrischen Oxydschicht eingebrachte gesättigte Lösung der hygroskopischen Substanz, welche die Poren nur teilweise ausfüllt, nimmt durch die feuchtigkeitsdurchlässige Elektrode Wasser auf oder gibtvWasser ab, bis der Dampfdruck an den Mündungen der Poren nahezu mit dem Druck an der Außenseite der äußeren Deckschicht im Gleichgewicht ist, so daß die Menge der in den Poren befindlichen Lösung, wenn dieses Gleichgewicht erreicht ist, ein Maß für die Feuchtigkeit bildet. Die Kapazität der imprägnierten dielektrischen Oxydschicht ändert sich mit der Menge der in den Poren befindlichen Lösung, und diese Kapazitätsänderung wird in an sich bekannter Weise elektrisch an einem Meßgerät zur Anzeige gebracht, das in absoluter oder relativer Feuchtigkeit geeicht sein kann.
Ist die auf der dielektrischen Oxydschicht befindliche Außenschicht wasserdurchlässig, so kann die wäßrige Lösung des hygroskopischen Salzes auf die Außenseite der Deckschicht aufgebracht werden, wobei sie die äußere Deckschicht durchdringt und-in die Poren der Oxydschicht einzieht. Vorzugsweise erfolgt die Imprägnierung der dielektrischen Oxydschicht aber dadurch, daß eine sehr dünne Schicht der gesättigten Lösung auf die Außenfläche der dielektrischen Oxydschicht aufgebracht wird, bevor diese Schicht mit der als Elektrode dienenden Außenschicht bedeckt wird. Damit die gesättigte Lösung des hygroskopischen Salzes die Poren der Oxydschicht nur teilweise ausfüllt, darf die gesättigte Lösung nur in einer Stärke von einigen Mikron aufgetragen werden.
Die zur Herstellung der wäßrigen Lösung verwendete hygroskopische Substanz wird entsprechend den Feuchtigkeitsbedingungen gewählt, in deren Bereich das Meßelement arbeiten soll. Lithiumchlorid ist zum Imprägnieren der Oxydschicht besonders vorteilhaft und erlaubt die Herstellung von Meßelementen für Feuchtigkeitsbedingungen, denen bei 200 C Tau punkte zwischen - 120 und -200C entsprechen.
Durch Imprägnieren der dielektrischen Oxydschicht mit einer gesättigten wäßrigen Lösung von Calciumchlorid können Meßelemente für Feuchtigkeitsbedingungen angefertigt werden, unter denen bei 200 C die Taupunkte zwischen70 und 0° C liegen. Die hygroskopische Substanz muß sich natürlich im Wasser tatsächlich lösen, so daß ein Teil des Wassers aus der Lösung entweichen kann, wenn die Feuchtigkeit abnimmt. Es darf sich also nicht um eine Substanz handeln, die sich chemisch mit dem Wasser verbindet und ein derartiges Entweichen verhindert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigt Fig. 1 den stark vergrößerten Teilquerschnitt eines erfindungsgemäßen Meßelementes und F i g. 2 ein Beispiel für die Verwendung eines derartigen Meßelementes im Schaltkreis eines elektrischen Hygrometers.
Gemäß Fig. 1 besteht das Meßelement aus einem Träger a aus Aluminiumdraht, der in einer 30/eigen Lösung von Oxalsäure anodisch oxydiert wurde.
Unter Einwirkung eines elektrischen Stromes mit einer Spannung von 80 Volt während einer Zeit von 30 Minuten wird auf dem Aluminiumdraht eine Oxydschicht b - erzeugt, die zahlreiche Poren oder Kapillaren c enthält. Nach- dem Erzeugen der Oxydschicht wird -der Draht gewaschen, um die an der Oxydschicht haftenden Säurespuren zu entfernen.
Dann wird eine sehr dünne Schicht einer gesättigten wäßrigen Lösung von Lithiumchlorid auf die Oxyd-, schicht aufgestrichen, so daß sie die Poren in kleinen Teilmengen d teilweise füllt. Dies kann dadurch geschehen, daß ein trockener Kamelhaarpinsel in die Lösung getaucht, die überflüssige Flüssigkeit ausgequetscht und die Aluminiumoxydschicht des Drahtes leicht überpinselt wird. kann wird die äußere aus einer elektrisch leitenden - Schicht bestehende Elektrode e im Hochvakuum aufgebracht.
Sie besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Gold, das auf die Oxydschicht aufgedampft wurde.
Ein solches Meßelement, bei dem die Oxydschicht auf dem Aluminiumdraht eine Länge von 5 cm aufweist, hat eine Kapazität in der Größenordnung von 0,02 Mikrofarad.
Gemäß F i g. 2 weist ein mit einem solchen Meßelement betriebenes elektrisches Hygrometer eine Kapazitätsbrücke f auf, die bei 50 oder 60 Hz betrieben wird und die mit einer Klemme an den Aluminiumdraht a, mit der anderen Klemme an die äußere Elektrode e des Meßelementes angeschlossen ist. Die in der Brücke gemessene und elektrisch zur Anzeige gebrachte Kapazität ist dann proportional zu der das Meßelement umgebenden Feuchtigkeit.
Sehr kleine Feuchtigkeitsänderungen in einer Umgebung von geringer relativer Feuchtigkeit werden auf diese Weise mit hoher Genauigkeit angezeigt.

Claims

Patentansprüche: 1. Meßelement für ein elektrisches Hygrometer, bei dem als Meßgröße die Kapazität des Meßelementes dient, bestehend aus einem meta; lischen Träger, einer darauf befindlichen porösen Oxydschicht und einer dünnen, auf der Außenfläche der Oxydschicht angeordneten, elektrisch leitenden Schicht (Elektrode), d a d u r c h g e -kennzeichnet, daß die Oxydschicht(b) in an sich bekannter Weise mit der wäßrigen Lösung einer hygroskopischen Substanz getränkt ist und daß die wäßrige Lösung die Poren (c) der Oxydschicht nur teilweise ausfüllt, ohne eine leitende Verbindung zwischen dem Träger (a) und der Elektrode (e) zu bilden.
2. Meßelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Aluminium und die Oxydschicht aus Aluminiumoxyd besteht und daß als hygroskopische Substanz Lithiumchlorid oder Calciumchlorid dient.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 742 284, 917 821; deutsche Patentanmeldung S26710 IXb/42i (bekanntgemacht am 6. 10. 1955); französische Patentschriften Nr. 1062510, 1222111; französische Patentschrift 67149 (Zusatz zur französischen Patentschrift Nr. 1 062 510).