(57)【要約】  湿度センサのための防護装置であって、周囲にある測定媒体と防護キャップ（１０）の内部空間との間の物質交換が隔膜（１２）を通じてのみ行われ得るように隔膜（１２）で覆われた開口部（１１）を有する防護キャップ（１０）を備え、前記隔膜（１２）は水に対する高い透過性と、高い耐熱性と、腐食性物質に対する高い耐性とを有するプラスチックでできている。
2009544020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度センサのための防護装置であって、
周囲にある測定媒体と防護キャップ（１０）の内部空間との間の物質交換が隔膜（１２）を通じてのみ行われ得るように隔膜（１２）で覆われた開口部（１１）を有する防護キャップ（１０）を備え、
前記隔膜（１２）は水に対する高い透過性と、高い耐熱性と、腐食性物質に対する高い耐性とを有するプラスチックでできている防護装置。
【請求項２】
前記隔膜（１２）はスルホン化テトラフルオロエチレンポリマーでできている、請求項１に記載の防護装置。
【請求項３】
前記隔膜（１２）はＮａｆｉｏｎでできている、請求項２に記載の防護装置。
【請求項４】
前記防護キャップはもっとも外側の層として多孔性の防護体（３２）を有しており、その気孔には測定媒体中の妨害物質を少なくとも部分的に除去する触媒作用のある物質が配置されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の防護装置。
【請求項５】
前記防護体（３２）は多孔性のテフロン（登録商標）焼結体である、請求項４に記載の防護装置。
【請求項６】
触媒作用のある前記物質は酸化マンガンである、請求項４または５に記載の防護装置。
【請求項７】
２つの接続部（５１，５２）を備える測定室であって、
当該測定室の内部空間（５３）にはセンサ（５４）が配置されており、
測定媒体は前記２つの接続部（５１，５２）を介して当該測定室の前記内部空間（５３）を貫流し、
前記センサ（５４）はこれを取り囲む測定媒体から、水に対する高い透過性と、高い耐熱性と、腐食性物質に対する高い耐性とを有するプラスチックからなる隔膜（５６）を備える隔壁（５５）によって分離されている測定室。
【請求項８】
前記隔膜（５６）はスルホン化テトラフルオロエチレンポリマーでできている、請求項７に記載の測定室。
【請求項９】
前記隔膜（５６）はＮａｆｉｏｎでできている、請求項８に記載の測定室。
【請求項１０】
前記２つの接続部（５１，５２）は加熱可能なように施工されている、請求項７ないし９のいずれか１項に記載の測定室。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿度センサのための防護装置に関し、その目的は分析すべき流体の中の侵食性物質からセンサを防護することである。
【背景技術】
【０００２】
著しい負荷をうける化学的侵食性のある外気の中で湿度の割合を測定することは、測定技術上の１つの問題である。従来技術に基づく多くの方法は、分析されるべき流体（すなわち測定媒体）に含まれる何らかの物質の破壊的作用のせいで採用可能でなく、もしくは、大量の材料とコストをかけなければ適用可能でないからである。しかも多くの湿度センサは、分析されるべき流体中に存在する異なる物質に対する感度干渉を有している。これは、測定結果を狂わせる可能性がある。著しい負荷をうける化学的侵食性のある外気中での測定の一例は、たとえば排ガス設備における排出ガスの湿度の測定である。
【０００３】
このような目的のための方法は、たとえばドイツ特許出願公開第４１４２１１８号で知られている。この方法では、湿った排出ガス流に含まれる酸素割合と乾いた基準ガス流に含まれる酸素割合が、ジルコン測定素子を用いて測定される。これらの酸素割合の差異が、排出ガスに含まれる水分割合を表す目安となる。しかしこの方法を採用するためには、測定ガス中に酸素が存在していることが前提条件になる。そのうえ装置コストが非常に高い。
【０００４】
多くの公知の方法は鏡面露点計も利用している。しかしこのような方法は、著しく負荷をうける環境には限定的にしか適していない。なぜなら、測定されるのは混合物の露点（酸性の外気中では酸の露点）であり、酸性溶液で曇ることによって鏡面が腐食し、そのために破損してしまう可能性があるからである。
【０００５】
低コストな湿度センサ装置の採用は、多くの場合、測定媒体中にある侵食性物質に対するセンサ材料の耐性がないために挫折しており、および、多くの場合に存在する感度干渉や、こうした物質の作用に原因があるドリフト現象のために挫折している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第４１４２１１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、著しい負荷をうける特に酸性外気の中で使用するのに適しており、簡単に取り扱うことができて低コストな湿度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１に記載の防護装置によって達成され、および請求項７に記載の測定室によって達成される。好ましい実施形態および発展例は、従属請求項の対象となっている。
【０００９】
本発明の主要な側面は、相応にロバスト性の高いセンサを使用する代わりに、これを取り囲む外気の有害な影響に対して防護装置で防護されている低コストな標準型湿度センサ、たとえば容量式のポリマー湿度センサを使用するという点にある。本発明による防護装置は、たとえばセンサを包囲する防護キャップや、センサが中に配置された測定室の分離された領域である。センサはこのような防護装置によって、これを取り囲む外気から気密に分離される。交換は、防護装置に設けられた隔膜を通じてのみ行うことができる。
【００１０】
この隔膜は、一方では、センサにとって有害なあらゆる物質をセンサ材料から隔離するのに適していなくてはならず、しかし、それと同時に水ないし水蒸気に対して透過性でなくてはならない。この目的のための材料としては、Ｎａｆｉｏｎの商品名でも知られるスルホン化テトラフルオロエチレンポリマー（ＰＴＦＥ）が格別に良く適している。
【００１１】
Ｎａｆｉｏｎは、たとえば塩素・アルカリ電気分解のときのカチオン交換膜の材料としてや、燃料電池技術でも大きな意義を有している。これはテフロン（登録商標）と構造的な類似性を有しており、親水性であり、薄いフィルムとしてカチオン透過性でありながらも、テフロン（登録商標）と同様、熱（最高約１９０℃）ないし酸・アルカリに対して化学的にきわめて耐性が高い。
【００１２】
水蒸気に対するＮａｆｉｏｎの透過性は、たとえば何らかの気孔サイズといった機械的特性に帰せられるのではなく、水の化学結合による輸送に帰せられる。このような輸送は、Ｎａｆｉｏｎ膜の両側で等しい水蒸気分圧が成立するまで行われる。つまり、防護装置外部で測定媒体中の水分含有率が変化すると、隔膜の両側で等しい水蒸気分圧が成立するまで、水ないし水蒸気の輸送が隔膜を通じて行われる。
【発明の効果】
【００１３】
防護装置内部の湿度センサは、防護装置外部にある測定媒体の組成に関わりなく、防護キャップ内部にある媒体（多くの場合に空気またはその他の定義された外気）の湿度を常に測定し、このときＮａｆｉｏｎ膜により、防護装置内部における空気の水分含有率が外部の測定媒体中の水分含有率と等しいことが保証される。
【００１４】
隔膜が水蒸気だけを輸送する限りにおいて、感度干渉が生じることはなく、そのうえセンサにとって有害な物質は隔膜によってセンサから隔離される。
【００１５】
ただし水蒸気以外にも、Ｎａｆｉｏｎに対して透過性の物質が他にもある。これには、たとえばアルコールやアセトン、すなわちヒドロキシル基を含む有機溶剤、アンモニア、過酸化水素などが含まれる。このような物質については防護機構が働かない。
【００１６】
本発明の主要な用途は、負荷をうける空気中での湿度測定である。液体中での測定（たとえばオイルに含まれる水分の測定）も、原則としては可能なはずである。ただし、隔膜の作用形態は気体中での測定と変わらない。Ｎａｆｉｏｎ膜を使用する代わりに、Ｎａｆｉｏｎからなる層でセンサを直接被覆することも可能であろう。このような防護層の作用形態は、隔膜の作用形態に類似することになるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】湿度センサを収容するためのプローブ管に設けられた本発明による防護キャップである。
【図２】分析されるべき測定媒体によって貫流することができ、Ｎａｆｉｏｎ膜を含む分離壁によって湿度センサが他の測定室から分離された測定室を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、図面に示す実施例を参照しながら、本発明について詳しく説明する。
【００１９】
各図面では、同じ符号は同じ意義をもつ同じ部品を表している。
【００２０】
図１は、ステンレス鋼からなる円筒形の防護キャップ１０の１つの考えられる実施形態を示している。この防護キャップは、Ｎａｆｉｏｎからなる隔膜１２で覆われたスリット状の開口部１１を有しており、それにより、水蒸気は隔膜を通じてのみ、上に説明したような仕方で防護キャップの内部へ入ることができる。防護キャップの第１の端部１３で、防護キャップはガラスブッシング１４を介してプローブ管１５と連結されている。プローブ管は、センサへの引込線を収容するとともに、センサ電子装置の一部を収容する役目を果たす。ガラスブッシング１４は、センサへの引込線のための気密な接触ブッシングとしての役目をする。プローブ管１５と防護キャップ１０の間の連結部は、さらに熱収縮チューブ１６によって気密に密封されている。防護キャップ１０はその両方の端部にねじ山を有している。防護キャップ１０の第１の端部１３にある第１のねじ山１８には湿度センサをねじ込み可能であり、その引込線はプローブ管１５の中へ通される。防護キャップ１０の第２の端部１７にある第２のねじ山１９には、テフロン（登録商標）からなる閉止栓２０がねじ込まれている。このねじ結合部も同じく熱収縮チューブ２１により気密に密封されており、この熱収縮チューブは追加的に接着剤２２で固定されている。そのために、テフロン（登録商標）閉止栓２０と熱収縮チューブ２１との間には、周回する溝に適当な接着剤２２が配置されている。防護キャップと反対を向いているほうの閉止栓２０の端部にねじ山２３がさらに配置されており、このねじ山の上には、防護キャップを全面的に取り囲んでプローブ管１５まで延びる、２部分からなるテフロン（登録商標）製の別のキャップ３０が装着されている。このキャップのプローブ管１５と反対を向いているほうの第１の部分３１は固体のテフロン（登録商標）で構成されており、Ｎａｆｉｏｎ膜１２とステンレス鋼防護キャップ１０を取り囲む第２の部分は、測定ガスに対して透過性である多孔性のテフロン（登録商標）焼結体３２で構成されている。
【００２１】
テフロン（登録商標）焼結体３２はさらに触媒材料を追加的に備えていてよく、それにより、測定ガスに含まれる何らかの物質が、焼結体３２の気孔を通過するときに触媒により還元ないし分解される。このことは、特に、Ｎａｆｉｏｎ膜が透過性でありセンサに害をおよぼす可能性がある物質が測定ガス中にある場合に重要である。
【００２２】
このような物質は、たとえば過酸化水素（Ｈ2Ｏ2）である。Ｎａｆｉｏｎ膜自体は過酸化水素に対して透過性であり、したがって、隔膜がＨ2Ｏ2の有害な影響から湿度センサを防護することはできない。この理由により、テフロン（登録商標）焼結体３２の気孔には触媒材料が配置されており、本例ではたとえば褐石（酸化マンガン）が配置されている。気孔は、分析されるべき測定ガスが十分な程度にテフロン（登録商標）焼結体３２を通過して湿度センサへ到達するために十分な大きさである。しかし、このときに測定ガスに含まれる過酸化水素は触媒と激しく接触し、それによって過酸化水素が水と酸素に転換される化学反応が起こる。このような触媒還元により、過酸化水素は多孔性の焼結体３２を通過するときに事実上完全に除去される。
【００２３】
閉止栓２０および外部に位置するキャップ３０については、必ずしもテフロン（登録商標）を材料として使用する必要はなく、高い耐熱性と、酸、アルカリ、およびこれに類する有害な化学的要因に対する高い耐性を備えていれば、それ以外のどのような材料でも適している。また、ねじ結合（１８，１９，２３）を採用する代わりに、たとえば接着結合、はんだ結合、溶接結合などの別の結合も考えられる。
【００２４】
隔膜１２においても、Ｎａｆｉｏｎに代えて、上に挙げた耐熱性と化学的耐性に加えて、水ないし水蒸気に対する高い選択性と透過性を追加的に有している他の任意の材料を使用することも考えられる。水蒸気に対する透過性は、すでに上に述べたとおり機械的特性に帰せられるのではなく、水の化学結合による輸送に帰せられるのであり、したがって、周囲から防護キャップ１０の中への物質の輸送は、隔膜による前述したメカニズムを除いては起こりえない。水蒸気だけが隔膜１２を通って防護キャップ１０の内部へ到達するので、腐食性またはその他の侵食性の物質によるセンサの損傷が起こることはなく、感度干渉が回避される。
【００２５】
図２では、湿度センサは防護キャップで包囲されるのではなく。測定室５０の中に組み込まれている。この測定室は、２つの接続部５１および５２を介して測定ガスで貫流される。隔壁５５によって内部空間５３の残りの領域から隔絶された測定室５０の内部空間５３の領域に、湿度センサ５４が配置されている。それにより、貫流するガスがセンサ５４に直接到達することができず、むしろ前述の防護キャップ１０の場合と同様に、Ｎａｆｉｏｎ膜５６で覆われた１つまたは複数の隔壁５５の開口部を通じてのみ湿度交換が行われる。隔膜５６の作用は、本発明のこの実施形態でも、図１に示す例の場合と同じである。
【００２６】
測定室５０は、測定ガスを含んでいる空間（たとえば排ガス管）に配置することができ、または、たとえば排出ガス分析のための吸引プローブへ組み込むこともできる。分析されるべきガスの供給と排出は両方の接続部を介して行われ、すなわち、供給管５１と排出管５２を介して行われる。
【００２７】
この実施形態の１つの特別な発展例では、測定室５０および／または供給管５１は加熱可能に施工されており、測定室５０は別個の分析装置に組み込まれている。隔膜５６は隔壁５５に接着されるか、または再び取外し可能なように取り付けられる。その場合、シール材（シールリング）が隔膜５６と隔壁５５の間に必要である。測定室５０および隔壁５５の材料としては、すでに検討した理由によりテフロン（登録商標）が格別に良く適している。
【符号の説明】
【００２８】
１０  防護キャップ
１１  スリット状の開口部
１２  Ｎａｆｉｏｎからなる隔膜
１３  １０の第１の端部
１４  ガラスブッシング
１５  プローブ管
１６  熱収縮チューブ
１７  第２の端部
１８  第１のねじ山
１９  第２のねじ山
２０  閉止栓
２１  熱収縮チューブ
２２  接着剤
２３  別のねじ山
３０  キャップ
３１  ３０の第１の部分
３２  ３０の第２の部分、焼結体
５０  測定室
５１  第１の接続部、供給管
５２  第２の接続部、排出管
５３  ５０の内部空間
５４  センサ
５５  隔壁
５６  Ｎａｆｉｏｎからなる隔膜
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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