DE3115961C2 - Hygrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hygrometer mit einem

is wechselstromgespeisten, feuchteabhängigen ohmschen Widerstand (Sensor), der über eine Verbindungsleitung mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung verbunden ist

Hygrometer dieser Art, insbesondere solche mit

Sensoren, die von der Hygroskopizität des Lithiumchlorids Gebrauch machen, sind bekannt Bei ihnen wird eine Wechselspannungsmeßbrücke, in deren einem Zweig sich der Sensor befindet, mit einem Wechselstrom gespeist und das über die Brücke erhaltene Signal in einem Differenzverstärker verarbeitet Bei diesen bekannten Hygrometern muß die Emfindlichkeit in den Bereichen niedrigerer relativer Luftfeuchte sowie höhere Luftfeuchte durch Zusatzstoffe verbessert werden, weil die Kennlinie des Lithiumchlorids derart zweimal gekrümmt ist daß der Sensor bei niedrigerer Luftfeuchte relativ unempfindlich ist während im Bereich hoher relativer Luftfeuchte vorzeitig Sättigung eintritt Die Kennlinie solcher Hygrometer so zu ändern, daß von der Verwendung einer Wechselspannungsmeß brücke abgesehen werden kann, ist in der Regel nicht möglich bzw. nicht bekannt

Da bei der Verwendung einer Wechselspannungsmeßbrücke die Leitung zwischen Sensor und Brückenschaltung Teil eines Brückenzweiges ist müssen die Sensoren mit der Auswerteelektfonik über kurze Leitungen fest verbunden werden; sie bilden daher mit der Auswerteschaltung eine untrennbare Einheit, können nicht ohne weiteres ausgetauscht werden und sind daher unverhältnismäßig teuer. Ferner ist der vollständige Meßkopf sehr groß.

Aus der CH-PS 5 58 939 ist ein kapazitiver Sensor bekannt Dieser ist aber kapazitiv fremd beeinflußbar und kann daher nur in direkter Verbindung mit der Meßschaltung eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Widerstands-Hygrometer mit einem Sensor zu entwikkeln, der klein und billig ist und der leicht auswechselbar über eine Leitung, deren Länge praktisch ohne Einfluß auf das Meßergebnis ist, mit der elektronischen Auswerteeinrichtung verbunden werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Von diesen zeigen die Fig. I bis 4 Leitfähigkeitskennlinien, die die Abhängigkeit eines Verstärkerausgangssignals von der relativen Feuchte bei 20⁰C darstellen. Diese Lcitfähigkeitskennlinien werden mit Sensoren erhalten, die den untenstehenden Ausführungen zur Fig. 6 entsprechend beschaffen und präpariert sind. Das Verstärkerausgangssignal wird von dem untenstehend anhand der Fig. 5 besprochenen

Operationsverstärker.! abgenommen.

Im einzelnen zeigen die Fig. 1 bis 4 die Leitfähigkeitskennlinien, die jeweils mit Sensoren erhalten werden, die Substanzen, wie nachfolgend aufgeführt enthalten:

F i g, 1 a) Lithiumchlorid 0,2-proz.;
b) Lithiumchlorid 0,2-proz. +

Tetrabtitylammoniumacetat 1,0-proz.;
F i g. 2 a) Tetramethylammoniumchlorid 0,5-proz.;

b) Tc'-i'abutylammoniumacetat 0,5-proz.;

c) Gemisch von a) und b);

F ig. 3 a) Tetrabutylammoniumacetat 1,2-proz. +

Hexamethoniumbromid 0,2-proz,;
b) Tetrabutylammoniumacetat 1,2-proz. +

Decamethoniumbromid 0,2-proz.;
■ c) Tributylmethylammoniumchlorid

1,2-proz. +

Tetramethylammoniumchlorid 0,2-proz.;
F i g. 4 a) Tetramethylammoniumchlorid
ν 0,2-proz. +

·: Tetrabutylammoniumacetat

- 1,2-proz. +

Tetraethylammoniumfluorid

0,4-proz. +
Diethylmethylpropylammoniumbromid

0,3-proz.;
b) Tetramethylammoniumchlorid

03-proz. +
Tributylmethylammoniumchlorid

1,2-proz. +
Hexamethoniumbromid 0,1 -proz.

Fig.5 zeigt ein Blockschaltbild eines Widerstands-Hygrometers.

Fig.6 ist eine nicht maßstäbliche Darstellung eines Sensors in Drauf- und in Seitenansicht

F i g. 1 zeigt mit der Kennlinie a) die obengenannten nachteiligen Eigenschaften des Lithiumchlorids; die Unempfindlichkeit im Bereich kleiner Feuchten bleibt gemäß der Leitfähigkeitskennlinie b) des Lithiumchlorids auch im Gemisch mit Tetrabutylammoniumacetat bestehen.

In Fig.2 und 3 sind die Eigenschaften der zur

Feuchtemessung benutzten organischen, quartären

Ammoniumsalze dokumentiert. F i g. 2 zeigt mit b) die auch bei hoher relativer Feuchte außerordentlich

geringe EigenleitfähigkeitdesTetrabttylammoniumace-

; tats. Ungefähr gleiche Werte liefern z.B. auch

λ Tributylmethylammoniumchlorid, -bromid, -jodid und

% Tributylpentylammoniumbromid. Diese Substanzen

können infolge ihrer Hygs oskopizität als Hauptkompo- ■I nenten eines Substanzgemisches zur Feuchtemessung dienen. Ihr -Üffekt wird deutlich in der Beeinflussung der

Leitfähigkeit des Tetramethylammoniumchlorids — a) in Fig.2 —, die ebenfalls bei niedrigen Luftfeuchten

gering ist. Fig.2 zeigt mit c) die Leitfähigkeit eines

Gemisches der beiden Substanzen. In F i g. 3 sind die Leitfähigkeitskennlinien weiterer, in ihrer Konstitution

höchst unerschiedlicher Ammoniumsalze jeweils im Gemisch mit einer der genannten Hauptkomponenten dargestellt.

Aus den Fig.2 und 3 ist ersichtlich, daß durch

Kombination von verschiedenen Ammoniumsalzen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit eine Linearisierung der Kennlinien möglich ist. Zwei Beispiele für derartige Gemische zeigt F ig, 4,

Mit den zur Verfügung stehenden Ammoniumsalzen ist eine Vielzahl geeigneter Gemische möglich. Unter den ca. 60 gemessenen Substanzen sind zusätzlich zu den obengenannten chemisch so verschiedene wie

to Tetramethylammoniumhydroxid.Tetraethylammoniumhydrogensulfat, Tetrabutylammoniumnitrat, Benzyltrimethylammoniumchlorid, Cholinchlorid, Muscarinchlorid und Tubocurarinchlorid.

Die weitgehende Veränderbarkeit der Kennlinien ermöglicht die Vereinfachung der elektronischen Auswerteeinrichtung. Fig.5 zeigt die entsprechende Blockschaltung eines Widerstands-Hygrometers. Der mit einer Wechselspannung von bspw. 6 V und 50 bis 1000 Hz gespeiste Sensor 1 ist über die Verbindungsleitung 2 unmittelbar an den invertierenden Eingang des hochohmigen Operationsverstärkers 3 angeschlossen, dessen Verstärkung fest eingestellt ist Da mit der Luftfeuchtigkeit die Leitfähigkeit des Sensors steigt und damit der Eingangswiderstand des Verstärkers 3 fällt, erhält man eine gekrümmte Verstärkerkennlinie. Die Krümmung wird durch die Einstellung einer entsprechenden Sensorkennlinie kompensiert Damit entfallen die Nachteile, die mit der Verwendung einer Wechselspannungsmeßbrücke verbunden wären.

Zur Herstellung des Sensors werden die Substanzen, bspw. nach a) oder b) in F i g. 4, in einer entsprechenden Menge Wasser bei Raumtemperatur gelöst, so daß eine Lösung mit den angegebenen Konzentrationen entsteht Aus einem Trägermaterial, vorzugsweise Aluminiumsilikat (Magnesia), wird ein Chip 4 gemäß F i g. 6 von bspw. 3-1-1 mm Größe gesägt Dieses wird bei Raumtemperatur im Vakuum mit der vorgenannten Lösung getränkt, an der Luft bei Raumtemperatur getrocknet und schließlich in die aus der Leiterplatte 6

und der Andruckfeder 8 bestehende Halterung eingesetzt Die Leiterplatte 6, die vorzugsweise aus Epoxidharzglasgewebe besteht, ist mit zwei Kupferbahnen versehen, die die Anschlüsse 5 des Sensors bilden. Die Anschlüsse 5 enden in zwei darin angelöteten

Kontaktspitzen 7 aus vorzugsweise Nickel oder Platin in einem Abstand von bspw. 2,5 mm. Das Chip 4 wird durch die Andruckfeder 8 gegen die Kontaktspifzen 7 angepreßt und gehalten. Die Verbindungsleitung 2 besteht aus einem zweiadrigen, getrennt abgeschirmten

so Kabel beliebiger Länge. Der Widerstand des so hergestellten Sensors beträgt etwa 10 Megohm bei 40% relativer Feuchte (20⁰C).

Nach Umwandlung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 3 in ein Gleichspannungssignal durch den Wandler 9 wird in dem nachfolgenden Gleichspannungsverstärker 10 eine Eichung durch Veränderung von Verstärkung und Offset vorgenommen. Schließlich liegt am Ausgang 11 ein Gleichspannungssignal vor, welches bei 20° C und einer relativen Feuchte von 20%

so bspw. 2,0 V und bei 90% 9,0 V beträgt und welches entsprechend einffjh zur Anzeige gebracht und für Steuer- und Regelzwecke verwendet werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Hygrometer mit einem wechselstromgespeisten, feuchteabhängigen ohmschen Widerstand (Sensor), der über eine Verbindungsleitung mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) ein Gemisch aus mindestens zwei organischen, quartären Ammoniumsalzen in solchen Konzentrationen enthält, daß die Krümmung der Feuchte-Leitfähigkeits-Charakteristik des Gemisches die Krümmung der Verstärkerkennlinie eines in der elektronischen Auswerteeinrichtung enthaltenen Operationsverstärkers (3) kompensiert.

2. Hygrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch mindestens ein Ammoniumsalz geringer Leitfähigkeit, welches stark hygroskopisch ist, sowie mindestens ein Ammoniumsalz mit gegenüber dem anderen größerer Leitfähigkeit enthält ,

3. Hygrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als stark hygroskopische Ammoniumsalze geringer Leitfähigkeit eine oder mehrere der Substanzen Tetrabutylammomumacetat, Tributylmethylammoniumchlorid, -bromid, -jodid und Tributylpentylammoniumchlorid vorgesehen sind.

4. Hygrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ammoniumsalz größerer Leitfähigkeit eine oder mehrere der Substanzen Hexamethoniumbromid, Decamethoniumbromid, Tetramethylammoniumchlorid, Tetraethylammoniumfluorid und Diethylmethyipropylammoniumbromid verwendet sind.

5. Hygrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Sensor (1) in Form sines Chips (4) aus inertem Trägermaterial, vorzugsweise aus Aluminiumsilikat (Magnesia), welches mit einer wäßrigen Lösung des Gemisches getränkt ist.

6. Hygrometer nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chip (4) mit einer 1,2% Tetrabutylammoniumacetat und 0,2% Hexamethoniumbromid enthaltenden wäßrigen Lösung getränkt ist

7. Hygrometer nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chip (4) mit einer 1,2% Tetrabutylammoniumacetat und 0,2% Decamethoniumbromid enthaltenden wäßrigen Lösung getränkt ist

8. Hygrometer nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chip (4) mit einer 1,2% Tributylmethylammoniumchlorid und 0,2% Tetramethylammoniumchlorid enthaltenden wäßrigen Lösung getränkt ist

9. Hygrometer nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chip (4) mit einer 1,2% Tetrabutylammoniumacetat, 0,2% Tetramethylammoniumchlorid, 0,4% Tetraethylammoniumbromid und 0,3% Diethylenmethylpropylammoniumbromid enthallenden wäßrigen Lösung getränkt ist.

10. Hygrometer nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chip (4) mit einer 1.2% Tributylmethylammoniumchlorid, 0,3% Tetramelhylammoniumchlorid und 0,1% Hexamethoniumbromid enthaltenden wäßrigen Lösung getränkt ist.

11. Hygrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chip (4) auswechselbar auf einer elektrische Anschlüsse (5) tragenden Leiterplatte aus Isolierstoff, vorzugsweise aus Epoxidharzglasgewebe, gehaltert ist

IZ Hygrometer nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse (5) in zwei Kontaktspitzen (7) aus vorzugsweise Nickel oder Platin enden, gegen die das Chip (4) durch eine seiner Halterung dienende Andruckfeder (8) angepreßt ist