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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung des Feuchtegehalts eines Feuchtigkeit aufnehmenden oder Feuchtigkeit enthaltenden Materials mit einem ein Heizelement umfassenden Feuchtigkeitssensor, der mit einer Steuereinheit, einer Energieversorgung und einer Auswerteschaltung gekoppelt ist.
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In vielen technischen Anwendungsbereichen ist die Kenntnis bezüglich des Feuchtegehalts von Materialien wichtig und wird gemessen, wobei sich die Messung in relativ dünnen Materialschichten häufig als problematisch erweist.
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In der Literatur beispielsweise in „Materialfeuchtemessung: Grundlagen - Messverfahren - Applikationen - Normen, Kontakt & Studium, Band 513, Klaus Kupfer, Expert-Verlag, 1997‟ sind eine Vielzahl von Messmethoden für unterschiedliche Verwendungszwecke beschrieben, wobei häufig Methoden der Bau- und Bodenfeuchtemessung erläutert sind, die die Gemeinsamkeit aufweisen, dass relativ große Bereiche vermessen werden und eine lokale Abgrenzung oftmals nicht möglich ist. Besondere Anforderungen beispielsweise körpernaher Messungen werden mit den bekannten Methoden nur unzureichend erfüllt.
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Mit der gravimetrischen Methode ist eine Messung des Wassergehalts eines Materials möglich, bei der das Trockengewicht des Materials mit dessen Feuchtgewicht verglichen wird. Hierzu wird dem zu untersuchenden Material eine Probe entnommen und gegebenenfalls getrocknet, wobei sich die Probenentnahme in einigen Fällen schwierig gestaltet, da es nicht immer möglich ist, aus einem Gesamtsystem eine Probe herauszutrennen. Eine kontinuierliche Messung des Wassergehalts ist nahezu unmöglich, wobei Messergebnisse nicht den tatsächlichen Wassergehalt angeben, wenn die Probe nicht zeitnah gewogen werden kann, da ein Teil der in dem Material der Probe aufgenommenen Feuchtigkeit verdunstet. Gravimetrische Methoden sind beispielsweise in der
US 4 316 384 A1 ,
US 4 666 007 A1 ,
US 4 750 143 A1 ,
US 4 798 252 A1 und
US 4 889 201 A1 angegeben.
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Im Weiteren sind elektrische Methoden, insbesondere die elektrische Widerstandsmessung und die Kapazitätsmessung, zur Bestimmung des Wassergehalts in einem Material beispielsweise aus der
US 5 402 075 A1 ,
US 6 647 782 B2 ,
US 6 222 376 B1 und der
US 5 861 758 A1 bekannt. Hierbei werden Elektroden im oder am zu untersuchenden Material angeordnet und das elektrische Messsignal bzw. elektrische Messwerte zur Auswertung erfasst. Diese Methoden eignen sich grundsätzlich zur Verwendung im Zusammenhang mit relativ dünnen Materialschichten, allerdings erweist sich die Beeinflussung der Messwerte durch ionische Verunreinigungen oder parasitäre oft zeitlich veränderliche Kapazitäten, wie sie beispielsweise bei körpernahen Messungen auftreten, als nachteilig.
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Bei thermischen Messmethoden wird die Materialfeuchte aufgrund der sich mit dem Wassergehalt ändernden thermischen Eigenschaften wie zum Beispiel die Wärmleitfähigkeit oder Wärmekapazität bestimmt, wobei diese Messmethoden in der Praxis wenig störanfällig sind und ihre Hauptanwendung im Bausektor liegt.
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Die
EP 1 844 323 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchtigkeit in einem Medium, insbesondere Erde, auf Basis einer thermischen Messung. Die Vorrichtung weist mindestens einen Messfühler auf, der aus einem Temperatursensor und einem Mittel zum Erwärmen des Temperatursensors besteht. Im Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Auswerteelektronik und eine Steuereinheit, die der Erwärmung des beheizbaren Temperatursensors mit einem Heizpuls und der Bestimmung des Feuchtegehalts eines den Messfühler umgebenden Mediums dienen. Der Messfühler ist von einer Zwischenschicht aus einem saugfähigen, mechanisch deformierbaren und thermisch isolierenden Material aus synthetischen Fasern und/oder aus Filz umgeben. Eine Aussage bezüglich des räumlichen Messbereichs, der durch Variation der Form des Heizpulses und der Zeit der Messung beeinflusst wird, ist dieser Offenbarung nicht zu entnehmen.
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Aus der
EP 0 981 737 A1 ist ein Sensor zur Bestimmung des Feuchtegehalts bekannt, der vorzugsweise als Mikrosystem in Silizium-Technologie hergestellt ist und eine entweder dauerhaft oder mittels eines kurzen Pulses beheizbare Membran mit einem ersten Temperatursensor sowie einen von der Membran thermisch isolierten zweiten Temperatursensor zur Bestimmung der Umgebungstemperatur umfasst. Auf der Membran ist ein saugfähiges Material beispielsweise Holz, Papier, Karton oder eine poröse Keramik angeordnet. Die beim Heizen der Membran entstehende Wärme wird durch das saugfähige Material an die Umgebung abgeleitet. Die Differenztemperatur zwischen den beiden Temperatursensoren stellt einen Referenzwert für die Materialfeuchte dar. Durch die Erwärmung mittels eines Heizpulses ist zwar der Energiebedarf minimiert allerdings ist keine räumliche Eingrenzung des Messbereichs möglich.
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Die
US 3 550 439 A1 beschreibt ein so genanntes Bekleidungs-Hygrometer mit dem ein Feuchtegehalt von Textilien bestimmbar ist, wobei eine einem Kondensator ähnliche Struktur und ein hygroskopisches Material zum Einsatz kommen. Der Feuchtegehalt wird ohne Wärmepuls mittels einer elektrischen Kapazitätsmessung bestimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die eine Aussage bezüglich eines Feuchtegehalts in einem Feuchtigkeit aufnehmenden oder Feuchtigkeit enthaltenden Material ermöglichen, wobei der räumliche Messbereich variierbar ist und der Feuchtegehalt in einer dünnen Materialschicht bzw. in unmittelbarer Umgebung des Feuchtigkeitssensors messbar ist und wobei der räumliche Messbereich nicht durch eine körperliche Barriere, d. h. nicht aufgrund des Einflusses eines Umgebungsmaterials, beeinflusst wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die Unteransprüche stehen vorteilhafte Ausgestaltungen dar.
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Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird durch die zeitliche Steuerung und Analyse der Temperaturänderung des Heizelementes unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wärmepulses im Material sowie der unterschiedlichen Temperatureffekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten je nach Feuchtegehalt der Abstand zu dem Heizelement, in dem der Feuchtegehalt gemessen wird, beeinflusst.
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Das Heizelement, ein Widerstandsheizelement, wird für einen kurzen definierten Zeitraum mit einem definierten elektrischen Strom zur Erwärmung beaufschlagt, wobei die Wärme durch das den Feuchtigkeitssensor umgebende Material aufgenommen und abgeleitet wird. Das Verfahren ermöglicht die Ermittlung des Feuchtegehalts in einem Material, das auch einen relativ dünnen Querschnitt aufweisen kann, beispielsweise ein Textil eines Bekleidungsstücks oder eines Schuhs oder dergleichen, mittels einer thermischen Methode, wobei die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Heizpulses und die damit einhergehende Begrenzung des Messvolumens genutzt wird. Die Temperatur des Heizelementes in Abhängigkeit von der Zeit und dem Feuchtegehalt beschreibt einen Temperaturverlauf, der zur Ermittlung des Feuchtegehalts ermittelt wird.
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Als Messwert für die Umgebungsfeuchte kann somit die durch den definierten Heizpuls erzeugte Temperaturänderung bzw. der zeitliche Temperaturverlauf verwendet werden. Da sich die Wärme mit endlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit in die Umgebung ausbreitet ist es möglich, den räumlichen Einflussbereich durch die Dauer des Heizpulses bzw. die Zeitpunkte der Temperaturmessungen zu definieren. Durch genaue Kontrolle des zeitlichen Ablaufs der Temperaturmessung wird das beeinflusste Messvolumen des zu untersuchenden oder zu überwachenden Materials wirksam begrenzt. Es ist weiterhin möglich durch geschickte Wahl des zeitlichen Messfensters auch gezielt Bereiche zu vermessen, die mittelbar an den Sensor grenzen, d.h. man kann die Messung auf bestimmte diskrete Schichten fokussieren, die in einem definierten Abstand vom Sensor liegen. Somit ist es möglich, den Wassergehalt in dünnen Schichten insbesondere von textilem Material, das bei der Fertigung von Bekleidung Verwendung findet, zu messen ohne dass die weitere Umgebung wie physikalische Barrieren das Messergebnis beeinflussen. Insbesondere ist das Verfahren geeignet, die Feuchte in dünnen Schichten zu bestimmen, deren Umgebung nicht näher definiert ist. Als Beispiel sind Textilschichten zu nennen, die in mehr oder weniger gut definiertem Kontakt zum menschlichen Körper und/oder weiteren Textilschichten und/oder zur Umgebungsluft stehen.
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Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und der hohen Wärmekapazität von Wasser im Vergleich zu Luft ist die durch die Umgebung von dem Heizelement abgeführte thermische Energie stark abhängig von dem Wassergehalt in dessen Umgebung.
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Der Wärmestrom selbst kann während des Wärmepulses variieren, der Verlauf sollte jedoch für die einzelnen Messungen gleich sein. Es ist möglich, den gesamten Temperaturverlauf während des Heizpulses zu analysieren oder aber auch an definierten Zeitpunkten. Wichtig ist, dass die Ausbreitungsfront der Wärme zum Zeitpunkt der Messung innerhalb des gewünschten Messvolumens verbleibt bzw. der Kontakt mit der Umgebung außerhalb des gewünschten Messvolumens noch nicht auf die Messung am Sensor zurückwirken kann.
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Das Heizelement des Feuchtigkeitssensors ist durch eine dünne elektrisch nicht leitfähige Schicht von der Umgebung geschützt.
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Als Temperatursensor kann das Heizelement selbst verwendet werden in dem sein temperaturabhängiger elektrischer Widerstand überwacht und ausgewertet wird oder es ist ein direkt an dem Heizelement angebrachter Temperatursensor vorgesehen, der selbstverständlich ebenfalls mit der Auswerteschaltung und der Steuereinheit gekoppelt ist. Selbstverständlich kann die Steuereinheit neben Speicherelementen, Schnittstellen und CPU weitere elektronische Bauteile umfassen insbesondere auch mit Eingabe- und/oder Ausgabeeinheiten gekoppelt oder zur drahtlosen Datenübertragung ausgebildet sein. Die Energieversorgung kann stationär über ein Netzteil oder aber auch in Form einer Batterie für z.B. mobile Anwendungen oder körpernahe Anwendungen erfolgen. Durch die Wahl der Wärmepulslänge, der Intensität oder auch der Häufigkeit einer Messung kann der Energieverbrauch an die jeweilige Situation angepasst werden.
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Das von dem Feuchtigkeitssensor unmittelbar erfasste Messvolumen kann aus dem auf seinen Feuchtigkeitsgehalt zu untersuchenden Material bestehen. Alternativ ist es möglich, den Feuchtigkeitssensor in ein mit dem zu untersuchenden Material in engem Feuchteaustausch stehendes Referenzmaterial einzubetten. Das auf seinen Feuchtigkeitsgehalt zu untersuchende Medium kann somit z.B. ein Textil selbst sein und unmittelbar auf den Feuchtigkeitssensor wirken oder aber mittelbar über das mit dem Feuchtigkeitssensor fest verbundene und feuchteaufnehmende Referenzmaterial, das in einem Feuchteaustausch mit der Umgebung steht. Ist die Wasseraufnahme im Referenzmaterial annähernd hysteresefrei sowie schnell genug im Vergleich zu der Änderung des Wassergehaltes der Umgebung dann lässt sich der Feuchtegehalt im Referenzmaterial als Äquipotentialwert, der in der Bodenphysik oft als „Saugspannung“ bezeichnet wird, für die Umgebungsfeuchte annehmen.
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Der zum Heizen und zur Temperaturmessung geeignete Feuchtigkeitssensor kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden und entsprechend in die Messumgebung integriert werden. Beim Aufbau des Feuchtigkeitssensors sollte darauf geachtet werden, dass die Wärmekapazität seiner Struktur gering ist und der Kontakt zu dem zu untersuchenden Material, das auch als Messkörper bezeichnet werden kann, zur Erfassung der Feuchte ausreichend gut ist.
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Es ist möglich, eine Struktur des Feuchtigkeitssensors auf einem konventionellen Schaltungsträger z. B. einer Leiterplatte aufzubauen. Alternativ kann die Sensorstruktur auf einem flexiblen Schaltungsträger z. B. einer Folie oder einem flexiblen und dehnbaren Schaltungsträger z. B. einer dehnbaren Folie aufgebracht werden, so dass sich der Feuchtigkeitssensor eng an das zu überwachende bzw. zu untersuchende Material anschmiegen oder in das Material eingebaut werden kann z. B. in ein Textil.
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Bevorzugt umfasst der Feuchtigkeitssensor ein Dünnschicht-Heizelement aus Gold, das auf ein dünnes folienartiges Polyimid-Substrat aufgetragen ist. Der Wärmepuls breitet sich durch das Polyimid aus und reagiert anschließend auf die Feuchte der unmittelbaren Sensorumgebung.
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Als weitere Option kann die Struktur auch als Faden, Faser, Draht oder als leitfähiges Garn ausgebildet sein und entsprechend in z.B. textiles Gewebe d.h. unmittelbar in Kleidung oder Schuhwerk eingebunden werden. Hierdurch können Textilien mit weitgehend integrierter Sensorstruktur aufgebaut werden, die nicht den normalen Feuchtetransport des Textils bzw. des Kleidungsstücks stören wodurch wesentliche Vorteile im Aufbau intelligenter Bekleidung erzielbar sind.
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Die thermische Feuchtemessmethode ist robust gegenüber vielerlei Störeinflüsse wie z.B. ionische Verunreinigungen, parasitäre Kapazitäten oder elektrische Störfelder, weshalb sie auch in einer harschen Umgebung also insbesondere realitätsnah und unter besonderer Beanspruchung durch einen Träger der Bekleidung sowie Umwelteinflüsse eingesetzt werden kann. Bei der thermischen Feuchtemessmethode handelt es sich darüber hinaus um eine zerstörungsfreie Methode, so dass der Feuchtigkeitssensor direkt am Material anwendbar ist, ohne dass eine Probe von dem Material abgetrennt werden muss. Durch den kurzen Wärmepuls oder Hitzepuls ist es möglich, den Messbereich auf einen kleinen Bereich zu beschränken. Es ist also möglich, dünne Schichten zu vermessen, ohne eine größere Beeinflussung der weiteren Umgebung hinnehmen zu müssen.
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Im Gegensatz zu vielen anderen Messmethoden wie z. B. der kapazitiven Feuchtemessung ist die thermische Feuchtemessmethode auch in Bereichen mit sehr hoher Materialfeuchte sehr sensitiv. Wird der Feuchtigkeitssensor in Form einer fadenähnlichen Struktur in ein Textil eingearbeitet können verschiedene Messaufgaben im Bereich Sport, Gesundheit, Ambient Assisted Living (AAL) relativ einfach gelöst werden, ohne den normalen Feuchtetransport zu beeinflussen. Ebenso ist es möglich, Sensoren auf Basis von perforierten Folien aufzubauen, so dass der normale Feuchtetransport nicht behindert wird.
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Aufgrund der robusten Arbeitsweise des Messprinzips ist der Feuchtigkeitssensor in körpernah getragenen Systemen verwendbar beispielsweise in tragbaren Elektronikgeräten (Wearables) oder direkt in Textilien bzw. Bekleidung insbesondere Funktions- oder Schutzbekleidung, um das Feuchteklima zu quantifizieren oder aber auch Ventilationssysteme aktiv zu steuern. Durch die sehr kurzen Heizpulse sind energiesparende kleine Systeme möglich. Die Ventilationssysteme selbst können aktiver oder passiver Natur sein z.B. Klappen oder Ventilatoren.
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Wesentlich ist die Möglichkeit der Steuerung des Abstandes vom Heizelement, in dem die Messung des Feuchtegehaltes erfolgt. Dies geschieht über die zeitliche Steuerung des Heizpulses und unter Ausnutzung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Wärmepulses im Material sowie der unterschiedlichen Temperatureffekte aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten je nach Feuchtegehalt.
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Im einfachsten Fall kann man den räumlichen Messbereich begrenzen, so dass die Messung auf eine dünne Schicht um den Feuchtigkeitssensor begrenzt werden kann. Möglich ist auch eine Analyse von über die Laufzeit des Wärmepulses definierten Schichten in einem gewissen Abstand vom Heizelement.
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Der Sensor kann unterschiedlich aufgebaut werden. Praktikable Ausführungsformen sind z.B. dünne Leiterbahnen aus Gold auf einer sehr dünnen Polyimidfolie oder aber auch als Halbleiterbauelement oder dünne leitfähige Fäden. Essentiell ist, dass die Wärmekapazität durch eine miniaturisierte Bauform z.B. in Dünnschichttechnik oder Mikrotechnik sehr klein gehalten werden kann, um die Sensorempfindlichkeit zu verbessern.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung einer Wärmeverteilung,
- 3 Diagramme zur Darstellung der Zusammenhänge zwischen der Heizleistung und der Temperatur über die Zeit in trockenem und feuchtem Material,
- 4 ein Diagramm zur Darstellung der Eindringtiefe der Wärme in das Messmaterial und die Umgebung über der Zeit,
- 5 ein Diagramm einer Feuchtigkeitsmessung und
- 6 ein Diagramm einer Feuchtemessung, in dem die Widerstands- sowie die berechnete Temperaturänderung des Sensors über der Zeit aufgetragen sind, wobei unterschiedliche Feuchtezustände gezeigt sind (W=Wet, feucht; D=Dry, trocken).
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Der Feuchtigkeitssensor 1 umfasst eine Struktur 2 auf dem ein Heizelement 3 angeordnet ist, das über elektrische Anschlüsse 4 mit einer elektronischen Steuereinheit 5, die eine Auswerteschaltung 6 und selbstverständlich neben Speicherelementen auch eine CPU umfasst, und einer Energiequelle 7 beispielsweise in Form einer Batterie oder eines Akkumulators gekoppelt ist, um das Heizelement 3 für eine vorgegebene Zeitspanne mit einem definierten Heizstrom zu beaufschlagen und derart einen Heizpuls oder Wärmepuls zu erzeugen und die Temperaturerhöhung zur Ermittlung des Feuchtegehalts des Materials 8, dem der Feuchtigkeitssensor 1 zugeordnet ist, zu messen.
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Das Heizelement 3 ist als ein Dünnschicht-Heizelement ausgebildet, das auf der dünnen Polyimid-Struktur 2 aufgedampftes Gold umfasst und mit einer weiteren Polyimid-Schicht abgekapselt ist. Andere Materialien und Herstellungsverfahren sind möglich.
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2 ist zu entnehmen, dass die durch die Pfeile angedeutete Wärmeverteilung ausgehend von dem Feuchtigkeitssensor 1 in das zu untersuchende bzw. zu überwachende Material 8 bei dem es sich beispielsweise um ein Textil eines Bekleidungsstückes oder auch eine Windel handeln kann erfolgt und innerhalb der Messzeit nicht darüber hinaus in die Umgebung 9.
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Nach 3 ist veranschaulicht, wie sich der sprunghafte Verlauf eines Wärmestroms Q über die Zeit t gemäß dem Linienverlauf 11 auf eine Kerntemperatur T über die Zeit t auswirkt wobei die Kurve 12 an trockenem Material 8 und die Kurve 13 an feuchtem/nassem Material 8 ermittelt ist. Aufgrund der hohen thermischen Effusivität von Wasser wird Wärme durch das Material 8 mit höherem Wassergehalt besser von dem Feuchtigkeitssensor 1 abgeführt. Andere Verläufe des Wärmestroms wie z.B. ein sehr kurzer Puls sind ebenfalls möglich.
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Eine Darstellung der Eindringtiefe x der Wärme bzw. des Wärmestroms des Heizpulses in das Material 8 in Abhängigkeit von der Zeit t ist 4 zu entnehmen wobei mit zunehmender Zeit auch die Eindringtiefe zunimmt. Die Eindringtiefe ist eine Wurzelfunktion der Zeit und der Temperaturleitfähigkeit der Umgebung und lässt sich über die „mittlere quadratische Verschiebung“ der statistischen Physik beschreiben. Auch nach dem Abschalten des Heizstromes breitet sich die Wärme weiterhin aus. Daher ist es z.B. auch möglich, lediglich einen kurzen Heizpuls zu verwenden und nach diesem das Abkühlverhalten des Feuchtigkeitssensors 1 zu betrachten.
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5 stellt dar wie sich die Temperatur T des Feuchtigkeitssensors 1 bei einem sprunghaften Wärmestrom Q verhält. Abhängig von der Zeit t wird der Temperaturverlauf durch die Polyimid-Struktur 2 des Feuchtigkeitssensors 1, anschließend durch die unmittelbare Sensorumgebung nämlich dem Material 8 und dessen Feuchtegehalt und bei längerer Messung durch die sich an das Material 8 anschließende Umgebung 9 beeinflusst. Durch die Betrachtung eines bestimmten Zeitintervalls kann der Einfluss der Umgebung 9 aus der Feuchtemessung diskriminiert werden. D.h. die Feuchtemessung ist auf die unmittelbare Sensorumgebung gezielt zu begrenzen.
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6 zeigt ein Diagramm mit dem typischen Signalverlauf einer simulierten Messung an einem textilen Material 8 und sechs unterschiedlichen Feuchtezuständen von lufttrocken (D) bis hin zu vollständig durchnässt (W). Dargestellt ist eine Widerstandsänderung des Heizelementes (ΔR/R) sowie dessen Temperaturänderung in willkürlichen Einheiten, welche beide in direktem Zusammenhang stehen (PTC-Widerstandseigenschaften). Der Zeitbereich von 100ms bis 300ms (Mx) ist für diese Messung geeignet, um die Feuchtigkeit in dem Textil abzuschätzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Feuchtigkeitssensor
- 2.
- Struktur
- 3.
- Heizelement
- 4.
- Anschluss
- 5.
- Steuereinheit
- 6.
- Auswerteschaltung
- 7.
- Energiequelle
- 8.
- Material
- 9.
- Umgebung
- 10.
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- 11.
- Linienverlauf
- 12.
- Kurve
- 13.
- Kurve
- Q
- Wärmestrom
- t
- Zeit
- T
- Temperatur
- x
- Eindringtiefe
- Mx
- Messbereich
- D
- trocken
- W
- nass
