DE1598446A1 - Feuchtigkeitsmessfuehler - Google Patents

Description

FARBWERKEHQECHSTAG. Frankfurt (M)-Hoechst

Anlage I

zur Patentanmeldung Fw

2. Mai 1966 Dr.Bk/Em

4336

Feuchtigkeitsmeßfühler

Gegenstand der Erfindung ist ein Meßfühler zum Messen der relativen Feuchtigkeit von Gasen, insbesondere der relativen. Luftfeuchtigkeit.

Zur Feuchtigkeitsmessung sind viele verschiedene Methoden im Gebrauch, von denen jedoch keine universell anwendbar ist. So eignen Bich beispielsweise Taupunkthygrometer, Lithiumchloridhygrometer, Psychrometer und solche Fühler, die auf Absorption beruhen, ihrer Natur nach zur genauen Messung der Feuchtigkeit nur in solchen Räumen, die wesentlich größer sind als die Abmessungen der Fühler, da diese in kleinen Räumen das zu messende Klima in nicht vernachlässigbarer Weise beeinflussen wurden. Es muß nämlich beim Meßvorgang an diesen Fühlern eine Temperatur oder eine relative Feuchtigkeit aufrechterhalten werden, die von der zu messenden wesentlich abweicht. Ferner

909826/081-3 ' «_ΙΜΑΓ sind Hygro- . BAD ORIGINAL

meter dieser Art für die fortlaufende Registrierung schnellverlaufender Änderungen der Feuchtigkeit wenig geeignet.

Die zum Registrieren und Regeln viel verwendeten Haarhygrometer sind ebenfalls für viele Zwecke zu schleppend und unsicher in der Anzeige. Für genaue Messungen müssen sie in kurzen Abständen regeneriert werden. Ee 1st bei Haarhygrometern besonders störend, daß ihre Feuchtigkeitsanxeige nicht nur von der augenblicklichen Feuchtigkeit abhängt, sondern vom früheren Feuchtigkeitszustand mit bedingt wird. Bei einem Wechsel der Feuchtigkeit bleibt die Anzeige zurück, d.h. es zeigt sieh.ein Hysterese-Effekt.

Für die Feuchtigkeitsmessung ist auch schon die elektrische Leitfähigkeit hygroskopischer Salze herangezogen worden. Durch das Fließen der Salzlösungen bei hoher Feuchtigkeit treten jedoch Instabilitäten auf, die man durch Verdickungsmittel wie Gelatine oder Polyvinylalkohol zu: 'fermeiden sucht. Dadurch ergeben sich relativ dicke Schichten und wegen der damit verbundenen Verzögerung der Wasserdampfgleichgewichtseinstellung eine träge Anzeige, denn der Wassertransport in solchen Schichten geschieht in erster Linie durch langsame Diffusionsvorgänge. Da zudem die Salze leicht auswaschbar sind, sind die Fühler empfindlich gegen Wasser. Sie zeigen ferner meist Hysterese-Brscheinungen.

Es ist schließlich bekannt, die feuchtigkeitsabhängige Widerstands- oder Kapazitätsänderung sehr dünner Aluminiumoxydschichten zur Feuchtemessung zu benutzen. Solche Fühler können klein ausgeführt werden. Bei hoher Feuchtigkeit sind sie jedoch nicht verwendbar, da die Einstellung dann sehr träge, wenig reproduzierbar und mit starker. Hysterese behaftet ist. In wasserdampfgesättigter Atmosphäre und bei Einwirkung von Spritz- und Kondenswasser verlieren diese Fühler ihre Empfindlichkeit und werden unbrauchbar.

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Ea wurde nun gefunden, dafl Meßfühler sum Hessen der relativen Feuchtigkeit in Gasen, insbesondere der relatiren Luftfeuchtigkeit, die Nachteile der vorher beschriebenen Fühler nicht aufweisen, wenn sie aus zwei auf einen elektrisch nicht oder praktisch nicht leitenden Träger aufgebrachten Elektroden und einer «wischen den Elektroden auf dem Träger befindlichen MeBechicht bestehen, wobei gemäß der Erfindung die Heßechicht aus einem auf den Träger aufgepfropften Polymerisat besteht, dessen elektrische Eigenechaftenjftmktionen der relativen Feuchtigkeit sind.

Zum Aufpfropfen eignen sich Monomere und Vcopolymerisate, die polymerisierbar sind, und«deren Pfropfmischpolymerisate eine genügend hohe Leitfähigkeit besitzen-, die außerdem eine Funktion des Wasserdampfpartialdrucks der Umgebung ist. Besonders geeignet sind solche Monomere oder Vorpolymerisate, die'Amino-, Oarboxyl-, Sulfonsäure- oder quarternäre Ammoniumgruppen enthalten.

Bas Molekulargewicht der Monomeren bzw. Vorpolymerisate ist grundsätzlich von untergeordneter Bedeutung. Besondere geeignet sind jedoch Monomere oder Torpolymerisate mit Molekulargewichten von mindestens 300, da deren Fähigkeit zum Eindringen in das Trägermaterial begrenzt ist. Dies ist wegen der erwünschten Oberflächenpfropfung besonders günstig.

Die Oberflächenpfropfung kann jedoch auch durch geeignete Wahl der Reaktionsbedingungen bei der Pfropfung begünstigt werden. Zu hohe Temperatur, zu lange Einwirkungszeit sowie die Verwendung quellend wirkender Lösungsmittel können ungünstig« Wirkung haben.

Wegen der guten Vernetzungs- und Verankerungsmöglichkeiten auf dem Träger werden zum Pfropfen zweckmäßig solche Monomere oder Vorpolymerisate verwendet, die mindestens zwei Vinylgruppen enthalten. Besonders geeignet sind Kondensat!oneprodukte aus AcrylsäureChlorid und Polyamino-(polyäthylenglykol).

♦) Polyäthylenglykol-,

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oder während der Die Pfropfung kann in bekannter Weise nach vorherigerYiktivierung des Trägermaterials erfolgen. Ale besondere geeignet hat sich die Aktivierung des Trägers durch Ultraviolette Strahlung erwiesen, da hierbei durch Wahl der richtigen Wellenlängen oder durch Zugabe entsprechender lichtabsorbierender Zusätze zum Trägermaterial die Sindringtiefe gering gehalten werden kann, so dafi die Pfropfung vorzugsweise oder ausschließlich an der Oberfläche des Trägermaterial» erfolgt. Die zur Aktivierung erforderliche Bestrahlungedauer kann durch Behandlung des Trägers mit bekannten sensibilisieread wirkenden Stoffen erheblich verringert werden.

Außer durch UV-Strahlung kann die Aktivierung auch durch andere energiereiche ionisierende Strahlen, beispielsweise durch Röntgenstrahlen, Gammastrahlen oder stark beschleunigte Elektronen erfolgen.

Auch die chemische Aktivierung ist möglich und bisweilen vorteilhaft. Gute Ergebnisse werden beispielsweise durch Behandlung von Polymeren mit Ozon erhalten. Das Ozon kann gasförmig oder auch in einer Flüssigkeit wie Tetrachlorkohlenstoff oder Wasser gelöst oder dispergiert zur Einwirkung gebracht werden. Auch andere chemische Aktivierungemittel, beispielsweise Peroxyde sind gelegentlich verwendbar.

Als Trägermaterial eignet sich grundsätzlich jedes Polymere mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften, auf das sich gut pfropfen läßt, und das eine niedrige Wasseraufnahme und Eigenleitfähigkeit besitzt, wie beispielsweise Polyolefine, Polystyrol oder Polyalkylenterephthalat. Neben organischen Kunststoffen können als Träger auch pfropfbare anorganische Substrate wie z.B. Magnesiumoxyd Verwendung finden.

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Es ist wichtig, daß das Trägermaterial eine möglichst niedrige Wasseraufnahmefähigkeit besitzt, weil die Anzeige sonst nach größeren Ftuchtigkeitsänderungen wegen der langsamen Wasserdampfdiffusions» vom oder zum Träger noch längere Zeit driftet.

Da bei der Messung parallel zum Widerstand der wirksamen Oberflächenschicht der Widerstand des Trägermaterial liegt, muß der letztere so groß sein, daß er bei der Messung In allen vorkommenden Fällen vernachlässigt werden kann. Dies . ist besonders deshalb wichtig, weil der Widerstand des Trägermaterials besonders bei starken Feuohtigkeitsänderungen unkontrollierbaren langdauernden Änderungen unterworfen sein kann.

Das Trägermaterial kann in Form von Folien, Platten, Bändern und Stäben, darüber hinaus aber auch von Garnen, Geweben und anderen textlien Gebilden vorliegen. Werden Garne oder Gewebe verwendet, so Bind lockere Gewebe und Garne mit geringer Drehung zu bevorzugen, bei denen die Oberflächen aller Fasern ohne längere Diffusionswege leicht zugänglich sind.

Die Elektroden für den erfindungsgemäßen Feuchtigkeitsfühler können aus leitfähigen Graphitschichtem oder aus Metallen, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Palladium oder Platin oder aus Metallegierungen bestehen. Sie können in bekannter Weise in Form eines leitfähigen Anstrichmittels, welches diese Stoffe in feingepulverter Form enthält durch Spritzen oder auch durch Aufdampfen im Vakuum auf das Pfropfmischpolymerisat oder gegebenenfalls auch vor dem Pfropfen unmittelbar auf die Trägeroberfläche aufgebracht werden.

Bevorzugt man aus meßtechnischen Gründen Fühler mit niedrigem Widerstand, so wird man den Abstand der Elektroden möglichst klein und ihre Länge möglichst groß machen. Dieses läßt sich beispielsweise für plattenförmlge Träger durch eine kammartige

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Elektrodenanordnung erreichen, bei der die echichtfSralgen Elektroden durch verhältnismäßig echmoJL· Spalte ron·inander getrennt sind. Für andere Trägerformen können andere Elektrodenanordnungen gewählt werden, z.B. für zylinderföreige Stäbe eine bifilare Wendel, z.B. aus Platindraht. Auch durch eine nachträgliche Verstärkung der aufgepfropften Oberflächen· schichten kann der Widerstand der Feuchtefühler verringert werden. Dieses ist besonders bei Messungen im Gebiete «ehr niedriger relativer Feuchtigkeit vorteilhaft. Die Nachbehandlung kann darin bestehen, daß auf den Fühler eine Lösung auf* gebracht wird, die das Monomere und einen Initiator wie Kaliumpersulfat enthält, worauf man den Fühler erwärmt, so daß die Polymerisation gestartet wird.

Die Oberfläche des Feuchtefühlers gemäß vorliegender Erfindung kann durch Besprühen mit Silikon- oder fluorkarbonhaltigen Aerosolen wasserabweisend gemacht werden, ohne uaß die Funktion des Fühlers wesentlich beeinträchtigt wird. Natürlich müssen diese aufgebrachten Schichten für Wasserdampf durchlässig sein.

Als elektrische Meßschaltung für den feuchteabhängigen Widerstand des Fühlers ist grundsätzlich jede Anordnung zur Messung hochohmiger Widerstände geeignet. Zu beachten ist lediglich, daß keine zu hohe Spannung verwendet wird, und daß die Messung praktisch leistungslos erfolgt, damit keine unzulässige Erwärmung des Fühlers auftritt, die das Meßergebnis verfälschen würde. Normalerweise verwendet man bei der Messung zur Vermeidung von Polarisationseffekten Wechselspannung, besonders bei Dauermessungen oder bei fortlaufenden Registrierungen, jedoch kann bei intermittierenden Messungen bei geeigneter Meßanordnung (kleine Meßstromdichte) auch Gleichspannung verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Feuchtigkeitsmeßfühler eignet sich zur trägheitsarmen und Hysterese-freien elektrischen Registrierung

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und Messung von Feuchtigkeitsänderungen über einen weiten Feuchtigkeit«- und Temperaturbereich. Sr ist beispielsweise sur Materialfeuchtemessung durch Me β sung der Gleiohgewichtsfeuchte brauchbar. Auch eignet er sich für MeβBungen, bei denen schnalle Feuchtigkeitsänderungen an engen Stellen, beispielsweise zwischen Kleidung und Haut oder zwischen mehreren Stoffschichten, unbeeinflußt gerneäsen oder registriert «erden aollen.

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Beispiel 1

Eine rechteckige Platte aus 0,7 mm starken Polyäthylen wurde zwei Stunden in Tetrachlorkohlenstoff gelegt und anschließend je 5 Minuten auf jeder Seite mit ultravioletten Licht bestrahlt· Diese Verfahren wurde sechsmal wiederholt· Dann wurde die bestrahlte Platte im kochenden Wasserbad 5 bis 10 Hinuten lang in einer 30£igen wäßrigen Lösung eines Kondensationsproduktes τοη AcrylsäureChlorid mit Polyamino (polyäthylenglykol), das überwiegend der Formel S ' ί

CH₂-CH-C-HH-CH₂-CHOH-CHg-i OC₃H₄) ₁J-O-CH₂-CHOH-CH₂-HH-C-CH-CHg

entspricht, gepfropft, und anschließend 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 6O⁰C mit einer 0,1^igen Löeung eines nichtionogenen Hetzmittels unter Zusatz τοη 0,5$ Soda gewaschen, mit destilliertem Wasser gespült und getrocknet. Die Elektroden wurden mit Leitsilber aufgezeichnet.

Beispiel 2

Ein Fühler nach Beispiel 1 wird folgendermaßen nachbehandelt: Man taucht den Fühler in eine Mischung aus 70 öewichteteilen der in Beispiel 1 angegebenen 30#Lgen

Löeung eines Kondensationeproduktes von Acrylsäurechlorld mit einem Polyamino-(polyäthylenglykol) 30 Gewichtθteilen Isopropanol
0,01 Gewientstell Kaliumpersulfat

und läßt gut abtropfen. Dann legt man ihn 30 Minuten lang in einen auf 180⁰C geheizten Trockenschrank, wobei das Monomere polymerisiert. Dieser Fühler eignet sich besonders für Messungen bei niedriger relativer Feuchtigkeit.

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Β«iBPiti 3

Sine rechteckige Platte aus 0,5 «a atarke« Polyäthylen wird 1 Stunde lang In ein Oson-Saueretaffgesiech alt .6 Gewichteji Ofeongehalt gehÄngt. Danach wird al· 15 Minuten lang alt einer auf 100⁰C erwäraiteii 20?Cigen wäfirigen Löaung eine» Kondeneationaproduktee, das überwiegend der Foreel

* CH - CO - IH -

-HH - CO - CH

entspricht, gepfropft und wie im Beispiel 1 beschrieben gewaschen und getrocknet.

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Claims (8)

Patentansprüche

1) Meßfühler zum elektrischen Messen der relatiren Feuchtigkeit in Gasen, bei dem zwischen zwei auf einen elektrisch nicht oder wenig leitfähigen Träger angeordneten Elektroden sich eine Meßschicht aus einen Material befindet, dessen elektrische Eigenschaften Punktionen der relativen Feuchtigkeit des umgebenden Gases sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mefischicht aus einem auf den Träger aufgepfropften Polymerisat besteht.

2) Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschicht durch Aufpfropfen eines Yinylmpnomeren oder eines Vorpolymerisats mit einem Molekulargewicht von mindestens auf dem Träger hergestellt ist.

3) Meßfühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgepfropfte Meßschicht aus einem Kondensationsprodukt aus Acrylsäurechlorid und Polyamino-(polyäthylenglykol) besteht.

4) Meßfühler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem organischen Kunststoff besteht.

5) Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Polyolefin besteht.

6) Meßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Polyäthylen oder Polypropylen besteht.

7) Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Polyäthylenterephthalat besteht.

8) Meßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus Polystyrol besteht.

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