Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung einer
Dampfkonzentration nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.The invention relates to a sensor for measuring a
Vapor concentration according to the preamble of the patent
saying 1.
Ein Anwendungsbeispiel für einen derartigen Sensor ist die
Messung der relativen Luftfeuchte, z. B. bei Haushaltsge
räten zur Regelung eines Wäschtrockners. Ein solcher
Sensor beruht auf einem elektrischen Meßoszillator, der
einen Schwingquarz enthält. Dieser Schwingquarz ist zumin
dest teilweise mit einer feuchtigkeitsempfindlichen Schicht
bedeckt. Bei einer Änderung der beispielhaft gewählten
Luftfeuchte verändert sich die Masse der Schicht. Dadurch
wird der Schwingungszustand (Güte, Frequenz) des Schwing
quarzes entsprechend geändert und zur Messung ausgewertet.
Es ist zweckmäßig, bei dem Schwingquarz lediglich dessen
feuchtigkeitsabhängige Frequenzänderung zu messen und
diese in Abhängigkeit von der Luftfeuchte zu eichen. Eine
derartige Messung der Frequenzänderung ist beispielhaft
dadurch möglich, daß das elektrische Ausgangsignal des
Meßoszillators gemischt wird mit dem Signal eines Ver
gleichoszillators, der feuchtigkeitsunempfindlich ist. Es
entsteht ein im allgemeinen niederfrequentes Mischsignal,
aus dem mit Hilfe eines Impulsformers, einer Integrations
stufe sowie eines Anzeigeinstrumentes die zu messende
Luftfeuchte auswertbar ist. Bei einer derartigen Anordnung
besteht die feuchtigkeitsempfindliche Schicht aus einer
Kunststoffschicht mit glatter Oberfläche. Daraus folgt,
daß ein derartiger Sensor eine geringe Empfindlichkeit
oder eine große Trägheit (Zeitkonstante) besitzt gegenüber
Änderungen der zu messenden Luftfeuchte. Für einige Anwen
dungen, z. B. Trockengeräte, die eine Regelung mit einer
kurzen Zeitkonstante erfordern, ist das beschriebene
Verhalten nachteilig, so daß ein derartiger Sensor nicht
anwendbar ist.An application example for such a sensor is
Measurement of the relative humidity, e.g. B. at budget
advise on the regulation of a clothes dryer. Such a
Sensor is based on an electrical measuring oscillator, which
contains a quartz crystal. This quartz crystal is at least
at least partially with a moisture-sensitive layer
covered. When changing the example chosen
Humidity changes the mass of the layer. Thereby
becomes the vibration state (quality, frequency) of the vibration
quartz changed accordingly and evaluated for measurement.
It is advisable to use only the quartz crystal
measure moisture-dependent frequency change and
to calibrate them depending on the air humidity. A
such measurement of the frequency change is exemplary
thereby possible that the electrical output signal of
Measuring oscillator is mixed with the signal of a ver
equal oscillator, which is insensitive to moisture. It
there is a generally low-frequency mixed signal,
from which with the help of a pulse shaper, an integration
level as well as a display instrument
Humidity can be evaluated. With such an arrangement
the moisture-sensitive layer consists of a
Plastic layer with a smooth surface. It follows,
that such a sensor has low sensitivity
or has a large inertia (time constant) towards
Changes in the humidity to be measured. For some users
dung, e.g. B. drying devices that have a scheme with a
require a short time constant is what is described
Behavior disadvantageous, so that such a sensor is not
is applicable.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen gattungsgemäßen
Sensor anzugeben, der bezüglich der zu messenden Dampf
konzentration einen großen Meßbereich, eine hohe Auflösung
und eine besonders kleine Zeitkonstante besitzt.The object of the invention is therefore a generic
Specify sensor related to the steam to be measured
concentration a large measuring range, a high resolution
and has a particularly small time constant.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den
Unteransprüchen entnehmbar.This object is achieved by the im
characterizing part of claim 1 specified
Characteristics. Refinements and developments are the
Removable subclaims.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs
beispieles näher erläutet. Bei einem beispielhaften
Sensor zur Messung der relativen Luftfeuchte wird in dem
eingangs erwähnten Meßoszillator ein Schwingquarz aus
einer dünnen Quarzscheibe mit einer Grundschwingung von 5
MHz verwendet, die sich durch einen geringen Temperatur
koeffizienten auszeichnet. Die Quarzscheibe wird zur
elektrischen Kontaktierung mit einer leitenden Schicht aus
z. B. Silber oder Chrom/Gold versehen. Darauf wird eine
feuchtigkeitsempfindliche Schicht mit großer Oberfläche
aufgetragen. Diese besitzt eine ausreichende Tempertur
stabilität und ist in der Lage, in Abhängigkeit von der
relativen Luftfeuchte reversibel Feuchtigkeit aufzunehmen
bzw. abzugeben. Die Masse der Schicht ist entsprechend der
gewünschten Zeitkonstante (Ansprechvermögen) des Sensors
gewählt. Die Schicht besitzt einen porösen schaumartigen
Aufbau, der durch die dadurch vergrößerte (offenporige)
Oberfläche entsprechend rasch und mehr Wasser absorbiert.
Die Herstellung einer solchen Schicht wird durch Aufrauhen
ihrer Oberfläche oder Aufschäumen vorgenommen, letzteres
durch Zusatz eines chemischen Treibmittels zum feuchtig
keitsempfindlichen Lack oder Kunststoff, das sich bereits
bei geringer Erwärmung in gasförmige Komponenten zersetzt.
Dies ist beispielsweise bei Ammoniumhydrogencarbonat
NH4HCO3 der Fall, das sich zersetzt bei einer Temperatur,
die größer als 60°C ist. Andere derzeit handelsübliche,
bei Erhitzen Stickstoff abspaltende Treibmittel sind
Azoverbindungen, N-Nitrosoverbindungen und Sulfonylhydra
zide.
The invention is explained below with reference to an embodiment example. In an exemplary sensor for measuring the relative air humidity, a quartz oscillator made of a thin quartz disk with a fundamental oscillation of 5 MHz is used in the measuring oscillator mentioned at the outset, which is characterized by a low temperature coefficient. The quartz disk is used for electrical contact with a conductive layer of z. B. silver or chrome / gold. Then a moisture-sensitive layer with a large surface is applied. This has sufficient temperature stability and is capable of reversibly absorbing or releasing moisture depending on the relative air humidity. The mass of the layer is selected in accordance with the desired time constant (response capacity) of the sensor. The layer has a porous, foam-like structure, which absorbs correspondingly quickly and more water due to the enlarged (open-pore) surface. Such a layer is produced by roughening its surface or foaming, the latter by adding a chemical blowing agent to the moisture-sensitive lacquer or plastic, which decomposes into gaseous components even when heated only slightly. This is the case, for example, with ammonium hydrogen carbonate NH 4 HCO 3 , which decomposes at a temperature which is greater than 60 ° C. Other currently available blowing agents which release nitrogen when heated are azo compounds, N-nitroso compounds and sulfonyl hydrazides.
Als feuchtigkeitsempfindliche Kunststoffmaterialien werden
beispielsweise Polyamide (z. B. PA6, PA66), Polyacrylate
oder Celluloseester (wie Celluloseacetat) verwendet, die
entweder durch Aufschmelzen oder durch Beschichten mit
einer Kunststofflösung (Tauchen, Aufschleudern mit
anschließendem Trocknen) auf die Quarzoberfläche aufge
bracht werden.As moisture-sensitive plastic materials
for example polyamides (e.g. PA6, PA66), polyacrylates
or cellulose esters (such as cellulose acetate) used
either by melting or by coating with
a plastic solution (diving, spin coating with
then drying) on the quartz surface
be brought.
Durch Feuchtigkeitsaufnahme des erfindungsgemäß kunst
stoffbeschichteten Quarzes ändert sich dessen Masse und
damit auch dessen Eigenfrequenz. Geht der eigentlichen
Messung ein Nullabgleich des einstellbaren Vergleichs
oszillators mit dem in absolut trockener Atmosphäre (0%
RF) gelagerten Schwingquarz voraus, so läßt sich eine
beliebige relative Luftfeuchte als Änderung der Eigen
frequenz des Schwingquarzes direkt bestimmen.By moisture absorption of the art according to the invention
fabric-coated quartz changes its mass and
hence its natural frequency. Goes the real one
Measurement a zero adjustment of the adjustable comparison
oscillator with the in an absolutely dry atmosphere (0%
RF) stored quartz crystal, so one can
any relative air humidity as a change in the property
Determine the frequency of the quartz crystal directly.
Besonders vorteilhaft ist bei dieser Art eines Feuchtesen
sors, daß die Messung der relativen Luftfeuchte auch bei
erhöhten Temperaturen durchgeführt werden kann, die ledig
lich durch die thermischen Eigenschaften der Schicht be
grenzt werden.This type of moisture meter is particularly advantageous
sors that the measurement of the relative humidity also at
elevated temperatures can be carried out, the single
Lich by the thermal properties of the layer
be limited.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Messung der
Luftfeuchte (Wasserdampf) beschränkt, sondern sinngemäß
auf andere dampfförmige Stoffe anwendbar, die z. B. im
Rahmen der Arbeitssicherheit und/oder des Umweltschutzes
überwacht werden sollen.The invention is not based on the measurement of
Humidity (water vapor) limited, but analogously
applicable to other vaporous substances which, for. B. in
Within the framework of occupational safety and / or environmental protection
should be monitored.