DLRde bull Folie 1
Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der Planetenforschung
Dr Andreas Lorek Deutsches Zentrum fuumlr Luft- und Raumfahrt eVe-Mail andreaslorekdlrdeTel 030 67055 390
gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Motivation
bull Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Theorie
bull Messaufbau
bull Ergebnisse
bull Gasfeuchtemessung -70 und 25degC im Grobvakuum
bull Theorie
bull Messaufbau
bull Ergebnisse
gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013DLRde bull Folie 2
Inhalt
Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforschung benoumltigt
DLRde bull Folie 3 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Wasser existiert wenn auch nicht als freies Wasser auch auf anderen Himmelskoumlrpernbull Wasser beeinflusst signifikant physikalische chemische und biologische Prozessebull besondere Aufmerksamkeit gilt dem Mars der moumlglicherweise uumlber habitable Zonen
verfuumlgt
Morgennebel im Valles Marineris ESA DLR FU Berlin G Neukum (Breite -1417deg Laumlnge 572 degW am 25052004 um 929 Ortszeit)
Raureif auf der Marsoberflaumlche Viking 2 bei 4797 degN und 22574 degW (Foto NASA 18 Mai 1979)
Bewegung an einem dunklen Hangabschnitt 68S 1E in hohen Breiten (innerhalb von 3 Wochen) auf drei HiRISE Bildern (oben) mit daruumlbergelegter Flieszligfront (oben rechts) [15]
DLRde bull Folie 4 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Entwicklung von Messgeraumlten fuumlr in-Situ Feuchtemessungen in extraterrestrischen Atmosphaumlren (zB Mars) [1]
MiniHUM ndashUnits Diagramm
MiniHUM- Struktur
DLRde bull Folie 5 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Astrobiologiebull Photosynthese von Flechten und Cyanobakterien
[2] [3]bull Uumlberlebensraten von Flechten und Bakterien
unter marsaumlhnlichen Bedingungenbull Bakterien wie Flechten benoumltigen fuumlr
Stoffwechselprozesse Wasser dass sie entweder aus der Atmosphaumlre (Gasfeuchte) oder aus dem Boden (Materialfeuchte) beziehen
Bild oben rechts Experimentkammer mit marsaumlhnlichen Bedingungen im Temperatur-Test Schrank (Mars Simulation Facility [4] (DLR))Bild unten rechts Blick in die Experimentkammer mit Bioprobe (Flechten)Bild unten Mitte kapazitiver Feuchtesensor (SHT75) mit Pt100
DLRde bull Folie 6 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Uumlberpruumlfung theoretischer ModellezB Theorie uumlber Fluumlssigwassergehalt in Boumlden nach Moumlhlmann [5]
Das Schichten-Modell von fluumlssigem Grenzflaumlchenwasser zwischen Eis und Mineraloberflaumlche [5]
31
miSm
3m
l q)TT(6
THl
3
1
sisw
w
OH
W
3A
ee
lnm
TR6
NH = l
2
l Monolagen Wasser auf der Mineraloberflaumlchell Monolagen fluumlssigen Wassers auf der Mineraloberflaumlche unter 0degC Tm Schmelztemperatur freien Wassers ( 27315K) [K]TS Schmelzpunkt [K]I Eisdichte [kgmsup3]w Wasserdichte [kgmsup3]mH2O Masse des Wassermolekuumlls [310-26 kg]ew Wasserdampfdruck [Pa]Eswsi Wasserdampfsaumlttigungsdruck [Pa]R universelle Gaskonstante [831441 J(molK)]qm Schmelzenthalpie des Eises [Jkg]s Durchmesser einer Monolage= 035 nm [m]H Hamaker-Konstante [J ]
- Theorie uumlber den Wassergehalt im Boden in Abhaumlngigkeit von der Gasfeuchte der daruumlber liegenden Atmosphaumlre bzw der Temperaturdifferenz und der Bindungsenergie zwischen Boden und Wassermolekuumlhlen
EIS
fluumlssigkeitsartigesWasser
van der WaalsKraumlfte
Mineral
Folie 24
DLRde bull Folie 7 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen Bedingungen
bull Wieviel Wasser ist in der Atmosphaumlre vorhandenbull Wieviel ist im Boden gespeichertbull Wieviel liegt in fluumlssigkeitsaumlhnlicher Form unter 0degC vorbull Mit welchen Messmethoden koumlnnen diese Fragen auch unter extremen
Bedingungen geklaumlrt werden
Nachfolgend werden 2 Methoden vorgestellt- wie der Wassergehalt in Boumlden im Temperaturbereich -70 bis 25degC inklusive seinem Eis-
und Fluumlssigwassergehalt ermittelt werden kann (dielektrisches Messverfahren)- wie der Wassergehalt in der Atmosphaumlre im Grobvakuum (1000 Pa ndash 100000 Pa) und im
Temperaturbereich -70 bis 25degC ermittelt werden kann (kapazitives Verfahren)
DLRde bull Folie 8 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Dielektrisches MessverfahrenVorteile - haumlufig verwendetes Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Boumlden
- experimenteller Aufbau und Anwendung relativ einfach- aus Messdaten lassen sich viele Informationen uumlber die
Bodeneigenschaften die Bindungsenergie des Wassers Wassermenge Eisanteil und Anteil fluumlssigen Wassers entnehmen
Nachteile - aufwendige Kalibrierung auf Wassergehalt (Temperatureinfluss auf untersuchtes Material und Messgeraumlt) - in Abhaumlngigkeit von der Frequenz erfolgt Uumlberlagerung verschiedener Polarisationseffekte - keine sichere Methode fuumlr die praumlzise Bestimmung von Eis- und Fluumlssigwassergalt bisher vorhanden - wenig Literatur uumlber Messungen bei lt-20degC
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
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DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
bull Motivation
bull Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Theorie
bull Messaufbau
bull Ergebnisse
bull Gasfeuchtemessung -70 und 25degC im Grobvakuum
bull Theorie
bull Messaufbau
bull Ergebnisse
gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013DLRde bull Folie 2
Inhalt
Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforschung benoumltigt
DLRde bull Folie 3 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Wasser existiert wenn auch nicht als freies Wasser auch auf anderen Himmelskoumlrpernbull Wasser beeinflusst signifikant physikalische chemische und biologische Prozessebull besondere Aufmerksamkeit gilt dem Mars der moumlglicherweise uumlber habitable Zonen
verfuumlgt
Morgennebel im Valles Marineris ESA DLR FU Berlin G Neukum (Breite -1417deg Laumlnge 572 degW am 25052004 um 929 Ortszeit)
Raureif auf der Marsoberflaumlche Viking 2 bei 4797 degN und 22574 degW (Foto NASA 18 Mai 1979)
Bewegung an einem dunklen Hangabschnitt 68S 1E in hohen Breiten (innerhalb von 3 Wochen) auf drei HiRISE Bildern (oben) mit daruumlbergelegter Flieszligfront (oben rechts) [15]
DLRde bull Folie 4 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Entwicklung von Messgeraumlten fuumlr in-Situ Feuchtemessungen in extraterrestrischen Atmosphaumlren (zB Mars) [1]
MiniHUM ndashUnits Diagramm
MiniHUM- Struktur
DLRde bull Folie 5 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Astrobiologiebull Photosynthese von Flechten und Cyanobakterien
[2] [3]bull Uumlberlebensraten von Flechten und Bakterien
unter marsaumlhnlichen Bedingungenbull Bakterien wie Flechten benoumltigen fuumlr
Stoffwechselprozesse Wasser dass sie entweder aus der Atmosphaumlre (Gasfeuchte) oder aus dem Boden (Materialfeuchte) beziehen
Bild oben rechts Experimentkammer mit marsaumlhnlichen Bedingungen im Temperatur-Test Schrank (Mars Simulation Facility [4] (DLR))Bild unten rechts Blick in die Experimentkammer mit Bioprobe (Flechten)Bild unten Mitte kapazitiver Feuchtesensor (SHT75) mit Pt100
DLRde bull Folie 6 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Uumlberpruumlfung theoretischer ModellezB Theorie uumlber Fluumlssigwassergehalt in Boumlden nach Moumlhlmann [5]
Das Schichten-Modell von fluumlssigem Grenzflaumlchenwasser zwischen Eis und Mineraloberflaumlche [5]
31
miSm
3m
l q)TT(6
THl
3
1
sisw
w
OH
W
3A
ee
lnm
TR6
NH = l
2
l Monolagen Wasser auf der Mineraloberflaumlchell Monolagen fluumlssigen Wassers auf der Mineraloberflaumlche unter 0degC Tm Schmelztemperatur freien Wassers ( 27315K) [K]TS Schmelzpunkt [K]I Eisdichte [kgmsup3]w Wasserdichte [kgmsup3]mH2O Masse des Wassermolekuumlls [310-26 kg]ew Wasserdampfdruck [Pa]Eswsi Wasserdampfsaumlttigungsdruck [Pa]R universelle Gaskonstante [831441 J(molK)]qm Schmelzenthalpie des Eises [Jkg]s Durchmesser einer Monolage= 035 nm [m]H Hamaker-Konstante [J ]
- Theorie uumlber den Wassergehalt im Boden in Abhaumlngigkeit von der Gasfeuchte der daruumlber liegenden Atmosphaumlre bzw der Temperaturdifferenz und der Bindungsenergie zwischen Boden und Wassermolekuumlhlen
EIS
fluumlssigkeitsartigesWasser
van der WaalsKraumlfte
Mineral
Folie 24
DLRde bull Folie 7 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen Bedingungen
bull Wieviel Wasser ist in der Atmosphaumlre vorhandenbull Wieviel ist im Boden gespeichertbull Wieviel liegt in fluumlssigkeitsaumlhnlicher Form unter 0degC vorbull Mit welchen Messmethoden koumlnnen diese Fragen auch unter extremen
Bedingungen geklaumlrt werden
Nachfolgend werden 2 Methoden vorgestellt- wie der Wassergehalt in Boumlden im Temperaturbereich -70 bis 25degC inklusive seinem Eis-
und Fluumlssigwassergehalt ermittelt werden kann (dielektrisches Messverfahren)- wie der Wassergehalt in der Atmosphaumlre im Grobvakuum (1000 Pa ndash 100000 Pa) und im
Temperaturbereich -70 bis 25degC ermittelt werden kann (kapazitives Verfahren)
DLRde bull Folie 8 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Dielektrisches MessverfahrenVorteile - haumlufig verwendetes Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Boumlden
- experimenteller Aufbau und Anwendung relativ einfach- aus Messdaten lassen sich viele Informationen uumlber die
Bodeneigenschaften die Bindungsenergie des Wassers Wassermenge Eisanteil und Anteil fluumlssigen Wassers entnehmen
Nachteile - aufwendige Kalibrierung auf Wassergehalt (Temperatureinfluss auf untersuchtes Material und Messgeraumlt) - in Abhaumlngigkeit von der Frequenz erfolgt Uumlberlagerung verschiedener Polarisationseffekte - keine sichere Methode fuumlr die praumlzise Bestimmung von Eis- und Fluumlssigwassergalt bisher vorhanden - wenig Literatur uumlber Messungen bei lt-20degC
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
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possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforschung benoumltigt
DLRde bull Folie 3 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Wasser existiert wenn auch nicht als freies Wasser auch auf anderen Himmelskoumlrpernbull Wasser beeinflusst signifikant physikalische chemische und biologische Prozessebull besondere Aufmerksamkeit gilt dem Mars der moumlglicherweise uumlber habitable Zonen
verfuumlgt
Morgennebel im Valles Marineris ESA DLR FU Berlin G Neukum (Breite -1417deg Laumlnge 572 degW am 25052004 um 929 Ortszeit)
Raureif auf der Marsoberflaumlche Viking 2 bei 4797 degN und 22574 degW (Foto NASA 18 Mai 1979)
Bewegung an einem dunklen Hangabschnitt 68S 1E in hohen Breiten (innerhalb von 3 Wochen) auf drei HiRISE Bildern (oben) mit daruumlbergelegter Flieszligfront (oben rechts) [15]
DLRde bull Folie 4 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Entwicklung von Messgeraumlten fuumlr in-Situ Feuchtemessungen in extraterrestrischen Atmosphaumlren (zB Mars) [1]
MiniHUM ndashUnits Diagramm
MiniHUM- Struktur
DLRde bull Folie 5 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Astrobiologiebull Photosynthese von Flechten und Cyanobakterien
[2] [3]bull Uumlberlebensraten von Flechten und Bakterien
unter marsaumlhnlichen Bedingungenbull Bakterien wie Flechten benoumltigen fuumlr
Stoffwechselprozesse Wasser dass sie entweder aus der Atmosphaumlre (Gasfeuchte) oder aus dem Boden (Materialfeuchte) beziehen
Bild oben rechts Experimentkammer mit marsaumlhnlichen Bedingungen im Temperatur-Test Schrank (Mars Simulation Facility [4] (DLR))Bild unten rechts Blick in die Experimentkammer mit Bioprobe (Flechten)Bild unten Mitte kapazitiver Feuchtesensor (SHT75) mit Pt100
DLRde bull Folie 6 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Uumlberpruumlfung theoretischer ModellezB Theorie uumlber Fluumlssigwassergehalt in Boumlden nach Moumlhlmann [5]
Das Schichten-Modell von fluumlssigem Grenzflaumlchenwasser zwischen Eis und Mineraloberflaumlche [5]
31
miSm
3m
l q)TT(6
THl
3
1
sisw
w
OH
W
3A
ee
lnm
TR6
NH = l
2
l Monolagen Wasser auf der Mineraloberflaumlchell Monolagen fluumlssigen Wassers auf der Mineraloberflaumlche unter 0degC Tm Schmelztemperatur freien Wassers ( 27315K) [K]TS Schmelzpunkt [K]I Eisdichte [kgmsup3]w Wasserdichte [kgmsup3]mH2O Masse des Wassermolekuumlls [310-26 kg]ew Wasserdampfdruck [Pa]Eswsi Wasserdampfsaumlttigungsdruck [Pa]R universelle Gaskonstante [831441 J(molK)]qm Schmelzenthalpie des Eises [Jkg]s Durchmesser einer Monolage= 035 nm [m]H Hamaker-Konstante [J ]
- Theorie uumlber den Wassergehalt im Boden in Abhaumlngigkeit von der Gasfeuchte der daruumlber liegenden Atmosphaumlre bzw der Temperaturdifferenz und der Bindungsenergie zwischen Boden und Wassermolekuumlhlen
EIS
fluumlssigkeitsartigesWasser
van der WaalsKraumlfte
Mineral
Folie 24
DLRde bull Folie 7 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen Bedingungen
bull Wieviel Wasser ist in der Atmosphaumlre vorhandenbull Wieviel ist im Boden gespeichertbull Wieviel liegt in fluumlssigkeitsaumlhnlicher Form unter 0degC vorbull Mit welchen Messmethoden koumlnnen diese Fragen auch unter extremen
Bedingungen geklaumlrt werden
Nachfolgend werden 2 Methoden vorgestellt- wie der Wassergehalt in Boumlden im Temperaturbereich -70 bis 25degC inklusive seinem Eis-
und Fluumlssigwassergehalt ermittelt werden kann (dielektrisches Messverfahren)- wie der Wassergehalt in der Atmosphaumlre im Grobvakuum (1000 Pa ndash 100000 Pa) und im
Temperaturbereich -70 bis 25degC ermittelt werden kann (kapazitives Verfahren)
DLRde bull Folie 8 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Dielektrisches MessverfahrenVorteile - haumlufig verwendetes Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Boumlden
- experimenteller Aufbau und Anwendung relativ einfach- aus Messdaten lassen sich viele Informationen uumlber die
Bodeneigenschaften die Bindungsenergie des Wassers Wassermenge Eisanteil und Anteil fluumlssigen Wassers entnehmen
Nachteile - aufwendige Kalibrierung auf Wassergehalt (Temperatureinfluss auf untersuchtes Material und Messgeraumlt) - in Abhaumlngigkeit von der Frequenz erfolgt Uumlberlagerung verschiedener Polarisationseffekte - keine sichere Methode fuumlr die praumlzise Bestimmung von Eis- und Fluumlssigwassergalt bisher vorhanden - wenig Literatur uumlber Messungen bei lt-20degC
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
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Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
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Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
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possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 4 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Entwicklung von Messgeraumlten fuumlr in-Situ Feuchtemessungen in extraterrestrischen Atmosphaumlren (zB Mars) [1]
MiniHUM ndashUnits Diagramm
MiniHUM- Struktur
DLRde bull Folie 5 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Astrobiologiebull Photosynthese von Flechten und Cyanobakterien
[2] [3]bull Uumlberlebensraten von Flechten und Bakterien
unter marsaumlhnlichen Bedingungenbull Bakterien wie Flechten benoumltigen fuumlr
Stoffwechselprozesse Wasser dass sie entweder aus der Atmosphaumlre (Gasfeuchte) oder aus dem Boden (Materialfeuchte) beziehen
Bild oben rechts Experimentkammer mit marsaumlhnlichen Bedingungen im Temperatur-Test Schrank (Mars Simulation Facility [4] (DLR))Bild unten rechts Blick in die Experimentkammer mit Bioprobe (Flechten)Bild unten Mitte kapazitiver Feuchtesensor (SHT75) mit Pt100
DLRde bull Folie 6 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Uumlberpruumlfung theoretischer ModellezB Theorie uumlber Fluumlssigwassergehalt in Boumlden nach Moumlhlmann [5]
Das Schichten-Modell von fluumlssigem Grenzflaumlchenwasser zwischen Eis und Mineraloberflaumlche [5]
31
miSm
3m
l q)TT(6
THl
3
1
sisw
w
OH
W
3A
ee
lnm
TR6
NH = l
2
l Monolagen Wasser auf der Mineraloberflaumlchell Monolagen fluumlssigen Wassers auf der Mineraloberflaumlche unter 0degC Tm Schmelztemperatur freien Wassers ( 27315K) [K]TS Schmelzpunkt [K]I Eisdichte [kgmsup3]w Wasserdichte [kgmsup3]mH2O Masse des Wassermolekuumlls [310-26 kg]ew Wasserdampfdruck [Pa]Eswsi Wasserdampfsaumlttigungsdruck [Pa]R universelle Gaskonstante [831441 J(molK)]qm Schmelzenthalpie des Eises [Jkg]s Durchmesser einer Monolage= 035 nm [m]H Hamaker-Konstante [J ]
- Theorie uumlber den Wassergehalt im Boden in Abhaumlngigkeit von der Gasfeuchte der daruumlber liegenden Atmosphaumlre bzw der Temperaturdifferenz und der Bindungsenergie zwischen Boden und Wassermolekuumlhlen
EIS
fluumlssigkeitsartigesWasser
van der WaalsKraumlfte
Mineral
Folie 24
DLRde bull Folie 7 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen Bedingungen
bull Wieviel Wasser ist in der Atmosphaumlre vorhandenbull Wieviel ist im Boden gespeichertbull Wieviel liegt in fluumlssigkeitsaumlhnlicher Form unter 0degC vorbull Mit welchen Messmethoden koumlnnen diese Fragen auch unter extremen
Bedingungen geklaumlrt werden
Nachfolgend werden 2 Methoden vorgestellt- wie der Wassergehalt in Boumlden im Temperaturbereich -70 bis 25degC inklusive seinem Eis-
und Fluumlssigwassergehalt ermittelt werden kann (dielektrisches Messverfahren)- wie der Wassergehalt in der Atmosphaumlre im Grobvakuum (1000 Pa ndash 100000 Pa) und im
Temperaturbereich -70 bis 25degC ermittelt werden kann (kapazitives Verfahren)
DLRde bull Folie 8 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Dielektrisches MessverfahrenVorteile - haumlufig verwendetes Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Boumlden
- experimenteller Aufbau und Anwendung relativ einfach- aus Messdaten lassen sich viele Informationen uumlber die
Bodeneigenschaften die Bindungsenergie des Wassers Wassermenge Eisanteil und Anteil fluumlssigen Wassers entnehmen
Nachteile - aufwendige Kalibrierung auf Wassergehalt (Temperatureinfluss auf untersuchtes Material und Messgeraumlt) - in Abhaumlngigkeit von der Frequenz erfolgt Uumlberlagerung verschiedener Polarisationseffekte - keine sichere Methode fuumlr die praumlzise Bestimmung von Eis- und Fluumlssigwassergalt bisher vorhanden - wenig Literatur uumlber Messungen bei lt-20degC
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
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Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
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soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
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possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 5 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Astrobiologiebull Photosynthese von Flechten und Cyanobakterien
[2] [3]bull Uumlberlebensraten von Flechten und Bakterien
unter marsaumlhnlichen Bedingungenbull Bakterien wie Flechten benoumltigen fuumlr
Stoffwechselprozesse Wasser dass sie entweder aus der Atmosphaumlre (Gasfeuchte) oder aus dem Boden (Materialfeuchte) beziehen
Bild oben rechts Experimentkammer mit marsaumlhnlichen Bedingungen im Temperatur-Test Schrank (Mars Simulation Facility [4] (DLR))Bild unten rechts Blick in die Experimentkammer mit Bioprobe (Flechten)Bild unten Mitte kapazitiver Feuchtesensor (SHT75) mit Pt100
DLRde bull Folie 6 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Uumlberpruumlfung theoretischer ModellezB Theorie uumlber Fluumlssigwassergehalt in Boumlden nach Moumlhlmann [5]
Das Schichten-Modell von fluumlssigem Grenzflaumlchenwasser zwischen Eis und Mineraloberflaumlche [5]
31
miSm
3m
l q)TT(6
THl
3
1
sisw
w
OH
W
3A
ee
lnm
TR6
NH = l
2
l Monolagen Wasser auf der Mineraloberflaumlchell Monolagen fluumlssigen Wassers auf der Mineraloberflaumlche unter 0degC Tm Schmelztemperatur freien Wassers ( 27315K) [K]TS Schmelzpunkt [K]I Eisdichte [kgmsup3]w Wasserdichte [kgmsup3]mH2O Masse des Wassermolekuumlls [310-26 kg]ew Wasserdampfdruck [Pa]Eswsi Wasserdampfsaumlttigungsdruck [Pa]R universelle Gaskonstante [831441 J(molK)]qm Schmelzenthalpie des Eises [Jkg]s Durchmesser einer Monolage= 035 nm [m]H Hamaker-Konstante [J ]
- Theorie uumlber den Wassergehalt im Boden in Abhaumlngigkeit von der Gasfeuchte der daruumlber liegenden Atmosphaumlre bzw der Temperaturdifferenz und der Bindungsenergie zwischen Boden und Wassermolekuumlhlen
EIS
fluumlssigkeitsartigesWasser
van der WaalsKraumlfte
Mineral
Folie 24
DLRde bull Folie 7 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen Bedingungen
bull Wieviel Wasser ist in der Atmosphaumlre vorhandenbull Wieviel ist im Boden gespeichertbull Wieviel liegt in fluumlssigkeitsaumlhnlicher Form unter 0degC vorbull Mit welchen Messmethoden koumlnnen diese Fragen auch unter extremen
Bedingungen geklaumlrt werden
Nachfolgend werden 2 Methoden vorgestellt- wie der Wassergehalt in Boumlden im Temperaturbereich -70 bis 25degC inklusive seinem Eis-
und Fluumlssigwassergehalt ermittelt werden kann (dielektrisches Messverfahren)- wie der Wassergehalt in der Atmosphaumlre im Grobvakuum (1000 Pa ndash 100000 Pa) und im
Temperaturbereich -70 bis 25degC ermittelt werden kann (kapazitives Verfahren)
DLRde bull Folie 8 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Dielektrisches MessverfahrenVorteile - haumlufig verwendetes Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Boumlden
- experimenteller Aufbau und Anwendung relativ einfach- aus Messdaten lassen sich viele Informationen uumlber die
Bodeneigenschaften die Bindungsenergie des Wassers Wassermenge Eisanteil und Anteil fluumlssigen Wassers entnehmen
Nachteile - aufwendige Kalibrierung auf Wassergehalt (Temperatureinfluss auf untersuchtes Material und Messgeraumlt) - in Abhaumlngigkeit von der Frequenz erfolgt Uumlberlagerung verschiedener Polarisationseffekte - keine sichere Methode fuumlr die praumlzise Bestimmung von Eis- und Fluumlssigwassergalt bisher vorhanden - wenig Literatur uumlber Messungen bei lt-20degC
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
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Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
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dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
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possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 6 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Uumlberpruumlfung theoretischer ModellezB Theorie uumlber Fluumlssigwassergehalt in Boumlden nach Moumlhlmann [5]
Das Schichten-Modell von fluumlssigem Grenzflaumlchenwasser zwischen Eis und Mineraloberflaumlche [5]
31
miSm
3m
l q)TT(6
THl
3
1
sisw
w
OH
W
3A
ee
lnm
TR6
NH = l
2
l Monolagen Wasser auf der Mineraloberflaumlchell Monolagen fluumlssigen Wassers auf der Mineraloberflaumlche unter 0degC Tm Schmelztemperatur freien Wassers ( 27315K) [K]TS Schmelzpunkt [K]I Eisdichte [kgmsup3]w Wasserdichte [kgmsup3]mH2O Masse des Wassermolekuumlls [310-26 kg]ew Wasserdampfdruck [Pa]Eswsi Wasserdampfsaumlttigungsdruck [Pa]R universelle Gaskonstante [831441 J(molK)]qm Schmelzenthalpie des Eises [Jkg]s Durchmesser einer Monolage= 035 nm [m]H Hamaker-Konstante [J ]
- Theorie uumlber den Wassergehalt im Boden in Abhaumlngigkeit von der Gasfeuchte der daruumlber liegenden Atmosphaumlre bzw der Temperaturdifferenz und der Bindungsenergie zwischen Boden und Wassermolekuumlhlen
EIS
fluumlssigkeitsartigesWasser
van der WaalsKraumlfte
Mineral
Folie 24
DLRde bull Folie 7 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen Bedingungen
bull Wieviel Wasser ist in der Atmosphaumlre vorhandenbull Wieviel ist im Boden gespeichertbull Wieviel liegt in fluumlssigkeitsaumlhnlicher Form unter 0degC vorbull Mit welchen Messmethoden koumlnnen diese Fragen auch unter extremen
Bedingungen geklaumlrt werden
Nachfolgend werden 2 Methoden vorgestellt- wie der Wassergehalt in Boumlden im Temperaturbereich -70 bis 25degC inklusive seinem Eis-
und Fluumlssigwassergehalt ermittelt werden kann (dielektrisches Messverfahren)- wie der Wassergehalt in der Atmosphaumlre im Grobvakuum (1000 Pa ndash 100000 Pa) und im
Temperaturbereich -70 bis 25degC ermittelt werden kann (kapazitives Verfahren)
DLRde bull Folie 8 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Dielektrisches MessverfahrenVorteile - haumlufig verwendetes Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Boumlden
- experimenteller Aufbau und Anwendung relativ einfach- aus Messdaten lassen sich viele Informationen uumlber die
Bodeneigenschaften die Bindungsenergie des Wassers Wassermenge Eisanteil und Anteil fluumlssigen Wassers entnehmen
Nachteile - aufwendige Kalibrierung auf Wassergehalt (Temperatureinfluss auf untersuchtes Material und Messgeraumlt) - in Abhaumlngigkeit von der Frequenz erfolgt Uumlberlagerung verschiedener Polarisationseffekte - keine sichere Methode fuumlr die praumlzise Bestimmung von Eis- und Fluumlssigwassergalt bisher vorhanden - wenig Literatur uumlber Messungen bei lt-20degC
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
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dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
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simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 7 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen Bedingungen
bull Wieviel Wasser ist in der Atmosphaumlre vorhandenbull Wieviel ist im Boden gespeichertbull Wieviel liegt in fluumlssigkeitsaumlhnlicher Form unter 0degC vorbull Mit welchen Messmethoden koumlnnen diese Fragen auch unter extremen
Bedingungen geklaumlrt werden
Nachfolgend werden 2 Methoden vorgestellt- wie der Wassergehalt in Boumlden im Temperaturbereich -70 bis 25degC inklusive seinem Eis-
und Fluumlssigwassergehalt ermittelt werden kann (dielektrisches Messverfahren)- wie der Wassergehalt in der Atmosphaumlre im Grobvakuum (1000 Pa ndash 100000 Pa) und im
Temperaturbereich -70 bis 25degC ermittelt werden kann (kapazitives Verfahren)
DLRde bull Folie 8 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Dielektrisches MessverfahrenVorteile - haumlufig verwendetes Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Boumlden
- experimenteller Aufbau und Anwendung relativ einfach- aus Messdaten lassen sich viele Informationen uumlber die
Bodeneigenschaften die Bindungsenergie des Wassers Wassermenge Eisanteil und Anteil fluumlssigen Wassers entnehmen
Nachteile - aufwendige Kalibrierung auf Wassergehalt (Temperatureinfluss auf untersuchtes Material und Messgeraumlt) - in Abhaumlngigkeit von der Frequenz erfolgt Uumlberlagerung verschiedener Polarisationseffekte - keine sichere Methode fuumlr die praumlzise Bestimmung von Eis- und Fluumlssigwassergalt bisher vorhanden - wenig Literatur uumlber Messungen bei lt-20degC
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 8 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC
bull Dielektrisches MessverfahrenVorteile - haumlufig verwendetes Verfahren zur Wassergehaltsbestimmung in Boumlden
- experimenteller Aufbau und Anwendung relativ einfach- aus Messdaten lassen sich viele Informationen uumlber die
Bodeneigenschaften die Bindungsenergie des Wassers Wassermenge Eisanteil und Anteil fluumlssigen Wassers entnehmen
Nachteile - aufwendige Kalibrierung auf Wassergehalt (Temperatureinfluss auf untersuchtes Material und Messgeraumlt) - in Abhaumlngigkeit von der Frequenz erfolgt Uumlberlagerung verschiedener Polarisationseffekte - keine sichere Methode fuumlr die praumlzise Bestimmung von Eis- und Fluumlssigwassergalt bisher vorhanden - wenig Literatur uumlber Messungen bei lt-20degC
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 9 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenm atrix
Freies Wasser
Luft
GebundenesWasser
Dielektrisches Messverfahren
Vereinfachtes Bodenmodell [11]
Bodenkomponente
Luft L 1
Bodenmatrix TB 3-12
freies Wasser W (lt2GHz) 80
gebundenes Wasser flW 315 lt 80
Eis I (gt10MHz) 315
B
BB jBodensdestaumltPermittivirelative
- fluumlssiges Wasser kann aufgrund starker Bindungsenergien zB an Mineraloberflaumlchen auch weit unter 0degC auftreten [567]
- Die Permittivitaumlt des gebundenen Wasser sinkt mit fallender Temperatur [678] und mit zunehmender Bindungsenergie [9]
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 10 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Bodenmodell (Haftwasser an Bodenpartikeln)
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
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possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 11 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Ermittlung des Fluumlssigwasser- und Eisgehaltes in Bentonit im Temperaturbereich 0degC bis -70degC
j
jjB
V 1j
jVBirchak-Mischungsregel [10]
bull Es existieren noch andere Mischungsregeln (zB Topp Smith and Tice Dobson DeLoor Polder van Santen)
bull Vorteile der Birchak-Gleichung sindbull Birchak ndashGleichung ist theoretisch herleitbarbull jeder Bodenparameter ist einzeln bewertbar
bull basierend auf der Birchak-Mischungsregel konnte eine experimentelle Methode zur Bestimmung des Eis- und Fluumlssigwassergehaltes ermittelt werden [6 7]
IjIflWjflWLjLTBjTBB
VVVV Parameter TBtrockener BodenL Luft flW fluumlssiges WasserI Eis V Volumenanteil
Folie 22
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 12 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 16
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 13 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Marsrelevante Boumlden
Experimente erfolgten an zwei marsrelevanten Boumldenbull Bentonit (ein stark montmorillonithaltiger Ton)
bull Montmorillonit nachgewiesen mit OMEGA- Spektrometer (Mars Express) [12]
bull Gebiete mit Tonmineralen moumlgliche Habitate bei der Suche nach ehemaligem oder bestehendem Leben auf dem Mars [13]
bull spez Oberflaumlche 503 msup2g (BET - N2) ca 237 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 238 gmsup3 (BAM)
bull JSC MARS-1 [14]bull vulkanisches Material vom Mauna Kea Vulkan (Hawai)bull Spektrum entspricht der Olympus-Amazonis-Region auf dem Marsbull spez Oberflaumlche 1458 msup2g (BET - N2) 171 msup2g (BET-Wasser)bull spez Dichte 264 gmsup3 (BAM)
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 14 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Messgeraumlte
- TDR-Sonde
- Plattenkondensator
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
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20
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Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
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40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 15 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR probe
TDR rods
Polarizationof ions
Polarizationof dipoles
Polarizationof atoms
Polarizationof electrons
GHz
dielectric constant
Imaginary part of dielectric constant
r
r
Real part of dielectric constant
Frequency range of TDR 600MHz - 12 GHz
rrrj - kurzer Frequenzpuls (600
MHz) - Permittivitaumlt des Bodens um die Metallstaumlbe der Sonde beeinflusst die Pulslaufzeit
Time Domain Reflectometry (TDR) [6]
t Laufzeit des Frequenzpulses entlang der Staumlbe [s]c0 Lichtgeschwindigkeit [ms]lS Stablaumlnge [m]
TDR-Sonde der Firma EasyTest [Polen]
S
0B l2
ct
- Messung erfolgt im allgemeinen in einem Frequenzbereich in dem der Imaginaumlrteil der Permittivitaumlt (dielektrische Konstante) sehr klein ist
- verbleibender Realteil korreliert dann nur noch auf den Wassergehalt
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 16 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
TDR-MessaufbauExperimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
PCTDR-Geraumlt
K oax ialkabelTDR-Sonde
E dels tah lstaumlbe
Tem peratur-m essgeraumlt
B oden
Deckel
Tem peratur-sensor
B ehaumllter
Gasein- und ausgang
Klim akam m er
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 17 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 11
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 18 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 303
32
34
36
38
4
42
44
46
TDR -Messung -- relative DK des JSC Mars 1 fuumlr 012 18 und 25 Monolagen Wasser (l) ---- Normaldruck Trockendichte 103 gcmsup3
Temp -70 degC bis 25degC
25 l Kenn 25 l 18 l Kenn 18 l 012 l Kenn 012 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 19 gt gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
(Messfrequenz 10Hz bis 11MHz Messfrequenzen koumlnnen von 0 Hz bis ca 200 MHz erweitert werden)
Cdd
Cd
KPG
G
B
1
2
0
2
4
Boden
Gasstrom
Kondensator-platte
Wasser-molekuumll
ElektrischesFeld
Prinzip-Skizze Kondensator mit definiertem Luftspalt uumlber dem Material und Wassersorption
Am DLR genutzter Plattenkondensator fuumlr Messungen der Bodenfeuchte [6]
B relative Permittivitaumlt des Bodens G relative Permittivitaumlt des Gases 0 elektrische Feldkonstante
[88541910-12As(Vm)] C Kapazitaumlt des Plattenkondensators [F]d1 Luftspalt im Kondensator [m]d2 Houmlhe des Bodens im Kondensator [m]dKP Durchmesser der oberen Kondensatorplatte [m]
Plattenkondensator [6] [7]
Folie 29
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
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40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 20 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Kondensator-Messsaufbau
PC
Gasm isch an lage
Tem peratur-m essgeraumlt
LCR- M eszlig bruumlcke
Klimakammer
M etexM ultim eter
Netzgeraumlt
P latten-kond ensator
Tem peratur-sensor PT 100
VentilVentil
Gasleitu ng
Feuch tesensorE asid ew
Experimentbedingungen
- konstante Bodentemperatur
- Normaldruck [ca 101325 Pa]
- Temperaturbereich (-70degC bis 25degC)
- Boden mit bekanntem Gesamtwassergehalt
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
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27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 21 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
30
35
40
Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 22 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
10E+01 10E+02 10E+03 10E+04 10E+05 10E+06 10E+070
5
10
15
20
25
Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC
20degC
10degC
0degC
-10degC
-20degC
-30degC
-40degC
-50degC
-60degC
-70degC
Frequenz [Hz]
B
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
25
30
35
40
45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
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26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 23 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3015
20
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45
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr Bentonit bei 350kHzbei konstanten Wassergehalten von 07 117 153 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
153 l
Kenn 153 l
117 l
Kenn 117 l
07 l
Kenn 07 l
Bodentemperatur [degC]
B
Folie 10
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 24 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 3021
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Kondensator 3 - Realteil der DK fuumlr JSC Mars 1 bei 350 kHzbei konst Wassergehalten von 196 171 137 Monolagen (l)
Temp -70 bis 25 degC
196 l
Kenn 196 l
171 l
Kenn 171 l
137 l
Kenn 137 l
Bodentemperatur [degC]
B
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 25 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Folie 6
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 26 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Fluumlssigwassergehalt von ca 12 Monolagen fuumlr Bentonit bzw 2 Monolagen fuumlr JSC Mars 1 noch bei -70 degC
bull Messergebnisse stimmen gut mit dem Schichten-Modell uumlberein
bull mit Hilfe der Birchak-Gleichung scheint praumlzise Bestimmung des Fluumlssigwassergehaltes in Boumlden (auch Tonen) unter 0 degC moumlglich
bull der Plattenkondensator und damit das dielektrische Messverfahren sind geeignet fuumlr die Messung der Bodenpermittivitaumlt bis -70degC
bull TDR-Sonden erwiesen sich als nicht empfindlich genug um geringe Wassergehalte zu detektieren
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 27 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Gasfeuchtemessung zwischen -70 und 25degC am Beispiel des kapazitiven Polymer-Feuchtesensors SHT75 der Firma Sensirion AG (Schweiz)
im Rahmen des Normungsprojektes SMADLUSEAldquo Foumlrdernummer FS11021A
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 28 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitives Messverfahren mit Polymersensoren
Vorteile - haumlufig verwendetes zuverlaumlssiges Verfahren zur Messung der relativen Feuchte (U) in Luft im Bereich U = 10 bis 90- preiswerte Sensoren die bereits von Herstellerseite hohe Standards erfuumlllen (zB fuumlr Autoindustrie)- Feuchtemessung auch bei Temperaturen lt0degC moumlglich- klein leicht robust
Nachteile - Fehler der Feuchtemessung steigt bei Werten U lt10 oder Ugt90 stark an- Messung von Ult2 nicht mehr sinnvoll- kaum Daten zu Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen Temperaturen
lt-40degC Messeigenschaften im Grobvakuum
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 29 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
kapazitiver Polymer-Feuchtesensor SHT75 (Sensirion AG)
Pt100 (6W 538) (rechts - L x B x H 5 x 38 x 065 mm ) und Feuchtesensor SHT75 (links - L x B x H 64 x 37 x 31 mm)
- Sensor adsorbiert Wasser in einem hygroskopischen Polymer (Dielektrikum) in Abhaumlngigkeit von der umgebenden relativen Feuchte der Atmosphaumlre
- Wasser aumlndert die Permittivitaumlt des Dielektrikums welches sich zwischen zwei Elektroden befindet
- die Kapazitaumlt des Sensors ist daher ein Maszlig fuumlr die relative Feuchte der Umgebung
- die Ausgabe des Sensor-Rohsignals fuumlr die Feuchte (SORH) und die Temperatur erfolgt bereits digital (keine Uumlbertragungsverluste mehr)
Folie 19
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 30 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Schwerpunkte
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignetbull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Welche Anforderungen muss der Experimentaufbau erfuumlllen
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 31 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau [4]bull Anforderungen
bull dicht auch bei groszligen Temperaturunterschiedenbull geringe Adsorption von Wassermolekuumllen an den Auszligenwaumlndenbull keine Druckschwankungen innerhalb der Experimentkammernbull konstante Feuchtebedingungen innerhalb der Experimentzeitbull moumlglichst dicht beieinanderliegende Temperatur- und Feuchtemessungbull Messung mit mehreren Sensoren zwecks Vergleichbarkeit
bull Loumlsung bull Rohrleitungen und Messkammern aus Edelstahlbull Alle Komponenten innerhalb der Klimakammer aus
CF-Vakuumkomponentenbull Pt100 werden an SHT75 angeklebt und zu je 3
Kombinationen in 3 Messzellen untergebracht (siehe Bild)
bull Gasmischung erfolgt mit hochgenauen Massenflussreglern CF-Flansch mit 3 Pt100SHT75-
Kombinationen und einzelnem Pt100 zum Einbau in die Messkammer
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 32 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Experimentaufbau-Skizze
Gasausgang
Taupunkt-spiegel
SHT75-Auslesegeraumlt
Vakuum sensor
DigitalmultimeterTemperatur Druck)
- computerbasierte Kontrolle des Gasmischsystems- Messung Datenspeicherung und Auswertung
Messzellen
Messkammern
Temperatur Test Kammer
VakuumpumpeEinleitungtrockenerLuft
Gasmischsystem
Gasbefeuchtung
definierte Mischungvon feuchter und trocker Luft
fertige Gasmischung fuumlr Messung
-50degC FP
Experimentdurchfuumlhrung- Einstellen der Temperatur (25 10 0 -10 hellip -70 degC)
- Druckstufe einstellen (1000 500 200 10 hPa)- Uwi ndashStufen zwischen 5 und 95 pro
Druckstufe (soweit moumlglich)
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 33 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull die SHT75-Sensoren (Uw) folgen dem Referenzwert (Taupunktspiegel Uw(ref)) im Rahmen des vom Hersteller angebenden Unsicherheit von 2 rel Feuchte (linkes Bild)
bull die SHT75-Sensoren sind auch bei -70degC funktionsfaumlhig (rechtes Bild)
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 34 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)
bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 35 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull keine Alterung der SHT75 im Rahmen der Fehler nach 136 Tagen Experimentzeit trotz hauptsaumlchlichen Einsatzes auszligerhalb des angegebenen Einsatzbereiches (dh lt-40degC)
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 36 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull starke Abweichungen in den Kennlinien zwischen den Gasen Luft und CO2bull Kennlinien unter CO2 zeigen zudem deutliche Abhaumlngigkeit vom Umgebungsdruck
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 37 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Zusammenfassung
bull Ist das kapazitive Messverfahren zur Messung der relativen Feuchte im Grobvakuum und bei Temperaturen bis -70degC geeignet
bull jabull Sind kommerzielle kapazitive Polymersensoren geeignet
bull Anhand der bisherigen Experimente sind diese Sensoren geeignet benoumltigen aber fuumlr praumlzise Messungen einer eigenen Kalibrierung in Abhaumlngigkeit von Druck und Temperatur
bull Welchen Einfluss haben Temperatur Druck andere Gasebull Temperatur - signifikant (vom Hersteller auch angegeben)bull Druck ndash vorhanden jedoch erst bei geringen Temperaturen
bull andere Gase ndash erste Messungen mit CO2 zeigen auf eine signifikante Querempfindlichkeit und Druckabhaumlngigkeit hin
Die Messung inkl der Auswertung sind noch nicht abgeschlossen daher lassen sich noch nicht alle Fragen zufriedenstellend beantworten
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
on Mars and implications for early Martian climate Nature 438(7068) 623-627[13] Chevrier V amp Matheacute P E (2007) Mineralogy and evolution of the surface of Mars A review Planetary and Space
Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 38 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
bull Mit welcher Genauigkeit kann gemessen werdenbull noch in der Auswertung
bull Weisen die Sensoren Alterung bzw Ausfaumllle aufbull Sensoren zeigen nach mehreren Monaten im Einsatz bisher keine
Alterungserscheinungen (zB Kennliniendrift) und auch keine Ausfaumllle
Die hier vorgestellten Methoden zur Feuchtebestimmung in Gasen und Materialien werden im DLR am Institut fuumlr Planetenforschung untersucht und angewendet Sie sind jedoch nur ein Ausschnitt der in der Planetenforschung angewendeten Methoden zur Feuchtemessung auf die jedoch in diesem Vortrag nicht eingegangen wurde
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
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Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
DLRde bull Folie 40 gt Vortrag gt Autor bull Dokumentname gt Datum
Vielen Dank fuumlr Ihre Aufmerksamkeit
DLRde bull Folie 39 gt Vortrag gtA Lorekbull Anwendungsbeispiele Feuchtemessunggt 12092013
Literatur[1] Koncz A (2012) Entwicklung und Schaffung eines in-situ Feuchtemessgeraumltes fuumlr den Mars im Zusammenhang mit
der ESA Marsmission ExoMars[2] Vera J P D Moumlhlmann D Butina F Lorek A Wernecke R amp Ott S (2010) Survival potential and photosynthetic activity of lichens under Mars-like conditions a laboratory study Astrobiology 10(2) 215-227[3] Dulai S deVera J P Koncz L Lorek A Marschall M Moumlhlmann D T amp Pocs T (2012 September) First report
on the survival of cyanobacteria in Mars simulation chamber in a Hungarian-DLR cooperation In European Planetary Science Congress 2012 held 23-28 September 2012 in Madrid Spain httpmeetings copernicus
orgepsc2012 id EPSC2012-877 (Vol 1 p 877)[4] Lorek A amp Koncz A (2013) Simulation and Measurement of Extraterrestrial Conditions for Experiments on
Habitability with Respect to Mars In Habitability of Other Planets and Satellites (pp 145-162) Springer Netherlands[5] Moumlhlmann D T (2008) The influence of van der Waals forces on the state of water in the shallow subsurface of Mars
Icarus 195(1) 131-139[6] Lorek A (2008) Fluumlssiges unterkuumlhltes Grenzflaumlchenwasser in der Marsoberflaumlche (Doctoral dissertation)[7] Lorek A amp Wagner N (2013) Supercooled interfacial water in fine grained soils probed by dielectric spectroscopy
The Cryosphere Discussions 7(2) 1441-1493[8] Stacheder M (1996) Die Time Domain Reflectrometry in der Geotechnik Schriftenreihe Angewandte Geologie
Karlsruhe Universitaumlt Karlsruhe[9] Hilhorst M A Dirksen C Kampers F W H amp Feddes R A (2001) Dielectric relaxation of bound water versus
soil matric pressure Soil Science Society of America Journal 65(2) 311-314[10] Birchak J R Gardner C G Hipp J E amp Victor J M (1974) High dielectric constant microwave probes for sensing
soil moisture Proceedings of the IEEE 62(1) 93-98[11] Huumlbner C (1999) Entwicklung hochfrequenter Messverfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung (Doctoral
dissertation Forschungszentrum Karlsruhe)[12] Poulet F Bibring J P Mustard J F Gendrin A Mangold N Langevin Y amp Forget F (2005) Phyllosilicates
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Science 55(3) 289-314[14] Allen C C Jager K M Morris R V Lindstrom D J Lindtsrom M M amp Lockwood J P (1998) Martian soil
simulant available for scientific educational study Eos Transactions American Geophysical Union 79(34) 405-409[15] Kereszturi A D Moumlhlmann Sz Berczi T Ganti A Horvath A Kuti T Pocs A Sik E Szathmary 2008 Analysis of
possible interfacial water driven seepages on Mars XXXIX Lunar and Planetary Science Conference 1555
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