DE3115961A1

DE3115961A1 - Widerstands-hygrometer

Info

Publication number: DE3115961A1
Application number: DE19813115961
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof. Dr. 4400 Münster Meyer zu Reckendorf
Original assignee: Meyer Zu Reckendorf wolfgang profdr
Current assignee: Meyer Zu Reckendorf wolfgang profdr
Priority date: 1981-04-22
Filing date: 1981-04-22
Publication date: 1982-11-11
Also published as: DE3115961C2

Description

Widerstands-Hygrometer
Die Erfindung betrifft ein Widerstands-Hygrometer mit einem wechselstromgespeisten, feuchteabhängigen 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 Empfindlichkeit in den Bereichen niedrigerer relativer Luftfeuchte sowie höherer Luftfeuchte durch Zusatzstoffe verbessert werden, weil die Kennlinie des Lithiumchlorids derart zweimal gekrümmt ist, daß der Sensor bei niedrigerer tuftfeuchte relativ unempfindlich ist, während im Bereich hoher relativer Luftfeuchte vorzeitig Sättigung eintritt. Die Kennlinie solcher Hygrometer so zu ändern, daß von der Verwendung einer Wechselspannungsmeßbrücke 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 Auswerteelektronik 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.
Es stehen zwar preiswerte, kapazitive Sensoren zur Verfügung, diese sind aber in noch höherem Maße kapazitiv fremdbeeinflußbar und können daher nur in direkter Verbindung mit der Meßschaltung eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Widerstands-Hygrometer mit einem Sensor zu entwickeln, 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 durch die Einführung der kennzeichnenden Merkmale gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Von diesen zeigen die Figuren 1 bis 4 Leitfähigkeitskennlinien, die die Abhängigkeit eines Verstärkerausgangssignals von der relativen Feuchte bei 200C darstellen.
Diese Leitfähigkeitskennlinien 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 3 abgenommen.
Im einzelnen zeigen die Figuren 1 bis 4 die Leitfähigkeitskennlinien, die jeweils mit Sensoren erhalten werden, die Substanzen wie nachfolgend aufgeführt enthalten: Fig. 1 a) Lithiumchlorid 0,2-proz.; b) Lithiumchlorid 0,2-proz. + Tetrabutylammoniumacetat 1 ,0-proz.; Fig. 2 a) Tetramethylammoniumchlorid 0,5-proz.; b) Tetrabutylammoniumacetat 0,5-proz.; c) Gemisch von a) und b); Fig. 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.; Fig. 4 a) Tetramethylainmoniumchlorid 0,2-proz. + Tetrabutylamnioniumacetat 1 , 2-proz. + Tetraethylamnoniumfluorid 0,4-proz. + Diethylmethylpropylammoniumbromid 0,3-proz.; b) Tetramethylammoniumchlorid 0,3-proz. + Tributylmethylammoniumchlorid 1 , 2-proz. + Hexamethoniumbromid 0,1-proz.
Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Widerstands-Hygrometers gemäß der Erfindung.
Fig. 6 ist eine nicht maßstäbliche Darstellung eines Sensors gemäß der Erfindung in Drauf- und in Seitenansicht.
Fig. 1 zeigt mit der Kennlinie a) die oben genannten nachteiligen Eigenschaften des Lithiumchlorids; die Unempfindlichkeit im Bereich kleiner Feuchten bleibt gemäß der Leitfänigkeitskennlinie b) des Lithiumchlorids auch im Gemisch mit Tetrabutylammoniumacetat bestehen.
In Fig. 2 und 3 sind die Eigenschaften der gemäß der Erfindung benutzten organischen, quartären Ammoniumsalze dokumentiert.
Fig. 2 zeigt mit b) die auch bei hoher rel. Feuchte außerordentlich geringe Eigenleitfähigkeit des Tetrabutylarr;7loniumacetats. Ungefähr gleiche Werte liefern z. B. auch Trib-tylmethylammoniumchlorid, -bromid, -jodid und Tributylpentylammoniumbromid. Diese Substanzen können infolge ihrer Hygroskopizität als Hauptkomponenten eines Substanzgemisches gemäß der Erfindung dienen. Ihr Effekt 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 Fig. 3 sind die Leitfähigkeitskennlinien weiterer, in ihrer Konstitution höchst unterschiedlicher Ammoniumsalze jeweils im Gemisch mit einer der genannten Hauptkomponenten dargestellt.
Aus den Figuren 2 und 3 ist ersichtlich, daß durch Kombination von verschiedenen Ammoniumsalzen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit gemäß der Erfindung eine Linearisierung der Kennlinien möglich ist. Zwei Beispiele für derartige Gemische zeigt Fig. 4.
Mit den zur Verfügung stehenden Ammoniumsalzen ist eine Vielzahl geeigneter Gemische möglich. Unter den ca. 60 gemessenen Substanzen sind zusätzlich zu den oben genannten cheniscn so verschiedene wie Tetramethylammoniumhydroxid, Tetraethylammoniumhydrogensulfat, Tetrabutylammoniumnitrat, Benzyltrimethylammoniumchlorid, Cholinchlorid, Muscarinchlorid und Tubocurarinchlorid.
Die weitgehende Veränderbarkeit der Kennlinien ermöglicht gemäß der Erfindung die Vereinfachung der elektronischen Auswerteeinrichtung. Pig. 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 gemäß der Erfindung 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 Fig. 4, in einer entsprechenden enge Wasser bei Raumtemperatur gelöst, so daß eine Lösung mit den angegebenen Konzentrationen entsteht. Aus einem Trägermaterial, vorzugsweise Aluminiumsilikat (Magnesia), wird ein Chip 4 gemäß Fig. 6 von bspw. 3x1x1 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 Kontakt spitzen 7 angepreßt und gehalten. Die Verbindungsleitung 2 besteht aus einem zweiadrigen, getrennt abgeschirmten Kabel beliebiger Länge. Der Widerstand des so hergestellten Sensors beträgt etwa 10 Megohm bei 40 % rel. Feuchte (2000).
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 200C und einer rel. Feuchte von 20 % bspw.
2,0 V und bei 90 9,0 V beträgt und welches entsprechend einfach zur Anzeige gebracht und für Steuer- und Regelzwecke verwendet werden kann.
Leerseite

Claims

Widerstands-Hygrometer Patentansprüche 0Widerstands-Hygrometer mit einem wechselstromgespeisten, feuchteabhängigen Widerstand (Sensor), der über eine Verbindungsleitung mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) einfach austauschbar über die Verbindungsleitung (2) unmittelbar an den invertierenden Eingang eines hochohmigen Operationsverstärkers (3) mit fest einstellbarer Verstärkung angeschlossen ist und daß der Sensor (1) ein Gemisch aus mindestens zwei organischen, quartären Ammoniumsalzen in solchen Konzentrationen enthält, daß durch die Krümmung der Feuchte-Leitfähigkeits-Charakteristik des Gemisches die Krümmung der von dem mit der feuchteabhängigen Sensorleitfähigkeit sich ändernden Eingangswiderstand des Operationsverstärkers (3) abhängigen Verstärkerkennlinie kompensiert wird.
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 Tetrabutylammoniumacetat, Tributylmethylammoniumchlorid, -bromid, -jodid und Tributylpentylammoniumchlorid verwendet sind.
-4. Hygrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ammoniumsalz größerer Leitfähigkeit eine oder mehrere der Substanzen Hexamethoniumbromid, Decamethoniumbromid, Tetramethylammoniumchlorid, Tetraethylammoniumfluorid und Diethylmethylpropylammoniumbromid verwendet sind.
5. Hygrometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Sensor (1) in Form eines Chips (4) aus inertem Trägermaterial, vorzugsweise aus Aluminiumsilikat (ICagnesia), 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 i0 Decamethoniumbromid enthaltenden wässrigen Lösung getränkt ist.
8. Hygrometer nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chip (4) mit einer 1,2 ffi 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 % Tetrabutylamnoniumacetat, 0,2 Vo Tetramethylammoniumchlorid, 0,4 ffi Tetraethylammoniumfluorid und 0,3 % Diethylmethylpropylamnoniumbromid enthaltenden wässrigen Lösung getränkt ist.
10. Hygrometer nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Chip (4) mit einer 1,2 ffi Tributylmethylammoniumchlorid, 0,3 %0 Tetramethylammoniumchlorid und 0,1 % Hexamethoniumbromid enthaltenden wässrigen Lösung getränkt is-
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.
12. Hygrometer nach Anspruch 11, 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 wird.
13. Hygrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers (3) in ein Gleichspannungssignal umgewandelt wird, welches in einem Gleichspannungsverstärker (10) zwecks Anzeige und/oder für Steuer- und/oder Regelzwecke zu eichen ist.