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

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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

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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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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
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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

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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
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• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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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

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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]

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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
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• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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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

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4

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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

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20

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Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC

20degC

10degC

0degC

-10degC

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-30degC

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-50degC

-60degC

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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

20

25

30

35

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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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)

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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

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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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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

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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

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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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
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• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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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

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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

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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

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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

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24

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

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Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC

20degC

10degC

0degC

-10degC

-20degC

-30degC

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-60degC

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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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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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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
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• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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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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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
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• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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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

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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

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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

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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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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

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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
• Slide 4
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• Slide 6
• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
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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

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4

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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

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0

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

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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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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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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
• Slide 4
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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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Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC

20degC

10degC

0degC

-10degC

-20degC

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-40degC

-50degC

-60degC

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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

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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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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

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Kondensator 3 - Realteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC

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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

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Kondensator 3 - Imaginaumlrteil der relativen DK fuumlr Bentonitbei konstantem Wassergehalt (153 l) -- Temp -70 bis 20degC

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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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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

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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

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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

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Kenn 196 l

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Kenn 171 l

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Kenn 137 l

Bodentemperatur [degC]

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
• Slide 4
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
• Slide 4
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

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27

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
• Slide 4
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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• Schwerpunkte fuumlr die Feuchtemessung unter extraterrestrischen B
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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
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• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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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)

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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)

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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

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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

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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)

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
• Wofuumlr wird Gas- und Materialfeuchtemessung in der Planetenforsc
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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

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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

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bull deutliche Temperaturabhaumlngigkeit des Sensor-Rohsignals (SORH) in Bezug zur relativen Feuchte (Taupunktspiegel) uumlber Eis Ui(ref)

bull Druckabhaumlngigkeit bei niedrigen Temperaturen (Bild rechts)

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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

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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

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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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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

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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

• Anwendungsbeispiele der Material- und Gasfeuchtemessung in der
• Inhalt
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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

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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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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

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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

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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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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

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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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