Analyse der Vor- und Nachteile verschiedener Methoden zur Messung des Feuchtigkeitstaupunkts
Prüfprinzip
Feuchtigkeitsmessgeräte lassen sich in verschiedene Typen unterteilen: Kaltspiegel-, Absorptions-Elektrolyse-, Al₂O₃-Kapazitäts-, Dünnschicht-Kapazitäts-, Widerstands-, Trockenkugel- und mechanische Messgeräte. Absorptions-Elektrolyse-Mikrofeuchtemessgeräte und Al₂O₃-Kapazitäts-Taupunktmessgeräte werden üblicherweise zur Messung niedriger Luftfeuchtigkeit eingesetzt. Widerstands-, Trockenkugel- und mechanische Feuchtigkeitsmessgeräte eignen sich hingegen nur zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit. Kaltspiegel- und Dünnschicht-Kapazitätsmessgeräte (nach Vaisala) können sowohl niedrige als auch mittlere und hohe Luftfeuchtigkeiten, also die relative Luftfeuchtigkeit, messen. Jedes dieser Messgeräte hat seine Vor- und Nachteile. Das Kaltspiegel-Taupunktmessgerät ist das genaueste, zuverlässigste und grundlegendste Messverfahren und wird in der Standardübertragung häufig verwendet. Sein Nachteil ist jedoch der relativ hohe Preis und der Bedarf an erfahrenem Bediener und Wartungspersonal.
1.1
Taupunktmessgerät mit Kaltspiegel
1.1.1
Messprinzip
Wenn die gemessene Feuchtigkeit in die Taupunktmesskammer gelangt, wird die kalte Spiegeloberfläche darübergeführt. Sobald die Temperatur der Spiegeloberfläche den Taupunkt der Feuchtigkeit übersteigt, befindet sie sich im trockenen Zustand. In diesem Zustand wird das von der Lichtquelle der Fotozelle emittierte Licht nahezu vollständig von der Spiegeloberfläche reflektiert. Der fotoelektrische Sensor erfasst dieses Signal und gibt es aus. Die Steuerschaltung vergleicht und verstärkt dieses Signal und steuert die Thermopumpe zur Kühlung der Spiegeloberfläche an. Sinkt die Temperatur der Spiegeloberfläche auf den Taupunkt der Feuchtigkeit, beginnt sich Tau zu bilden (Frost). Das Licht wird diffus reflektiert, das vom fotoelektrischen Sensor erzeugte Reflexionssignal schwächt sich ab. Diese Änderung wird von der Steuerschaltung erfasst und verstärkt. Die Thermopumpe wird so angepasst, dass die Kühlleistung entsprechend reduziert wird. Schließlich wird die Temperatur der Spiegeloberfläche auf dem Taupunkt des Probengases gehalten. Die Spiegeltemperatur wird mittels eines Platin-Widerstandstemperatursensors erfasst, der sich in der Nähe des unteren Teils der kalten Spiegeloberfläche befindet, und auf dem Anzeigefenster angezeigt.
Derzeit verwenden alle weltweit führenden Hersteller von Kaltspiegel-Taupunktmessgeräten, wie beispielsweise GE, Edgetech, MBW aus der Schweiz usw., dieses Prinzip. Das britische Unternehmen MICHELL verwendet ein optisches Doppelpfad-Detektionssystem, bei dem reflektiertes und gestreutes Licht gleichzeitig erfasst werden. Das finnische Unternehmen Vaisala nutzt akustische Wellen als Detektionssystem.
Während des Messvorgangs nähert sich der Wasserdampfgehalt des Messgases mit sinkender Temperatur dem Sättigungszustand. Aufgrund der Schwerkraft adsorbieren die Wassermoleküle an der Spiegeloberfläche und bilden einen dünnen Wasserfilm. Dies ist die erste Phase der Taubildung. Mit weiter sinkender Spiegeltemperatur nimmt die Dicke des Wasserfilms allmählich zu – die zweite Phase der Taubildung. In dieser Phase ändert sich das Kräfteverhältnis zwischen der Schwerkraft der Wassermoleküle und der Oberflächenspannung des Wasserfilms, wobei letztere zunehmend überwiegt. Instabile Faktoren auf der Kühlfläche, wie beispielsweise kleinste Unebenheiten auf der Spiegeloberfläche, führen nun zur Kondensation des Wasserfilms zu Tröpfchen. Mit weiter sinkender Spiegeltemperatur bilden sich Tautropfen. Mikroskopisch lässt sich das isolierte Wachstum und die unregelmäßige Verteilung der Tautropfen beobachten, bevor sich die Tauschicht sehr schnell über die Oberfläche ausbreitet. An diesem Punkt stellt sich das Flüssig-Dampf-Gleichgewicht ein – der Taupunkt ist erreicht.
1.1.2
Struktur
1.1.2.1
Spiegel
Der Spiegel sollte hydrophob sein, eine gute Wärmeleitfähigkeit, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und gute optische Eigenschaften aufweisen. Früher wurde Gold als Spiegelmaterial verwendet, heute kommt Rhodium zum Einsatz.
1.1.2.2
Spiegelkühlung
In der Vergangenheit wurden Ethylenetherverdampfung, mechanische Kühlung, Kühlung mit verflüssigten Gasen oder Trockeneis sowie Druckluftkühlung eingesetzt. Am häufigsten wird heute thermoelektrische Kühlung oder eine Kombination aus thermoelektrischer und mechanischer Kühlung (Taupunkt unter -60 °C) verwendet. In dieser Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der thermoelektrischen Kühlung.
Die thermoelektrische Kühlung, auch bekannt als Halbleiterkühlung, basiert auf dem Peltier-Prinzip (abgeleitet vom englischen Namen Peltier). Beim Durchfließen eines Gleichstroms durch ein Peltier-Element aus zwei verschiedenen Metallen wird Wärme von einem Metall auf das andere übertragen – genau umgekehrt zur Temperaturmessung mit einem Thermoelement. Wird das kalte Ende des Peltier-Elements mit einem Spiegel verbunden und das andere Ende zur Wärmeableitung genutzt, kann der Spiegel gekühlt werden. Um unterschiedliche niedrige Temperaturen zu erzielen, kann eine mehrstufige Überlagerungsmethode angewendet werden. Laut Angaben der Firma GE (USA) kann bei einer Raumtemperatur von 25 °C die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Enden des Elements 55 °C, 75 °C, 105 °C und nach fünf Kühlstufen sogar 120 °C erreichen. Die Kühlleistung kann je nach Hersteller leicht variieren. Je höher die Temperatur am warmen Ende, desto höher die Kühlleistung und desto größer der Temperaturunterschied. Um die Temperatur am kalten Ende zu senken, werden üblicherweise Luft-, Wasser- und mechanische Kühlung eingesetzt. Eine unbegrenzte Reduzierung ist jedoch nicht möglich. Es ist wichtig zu beachten, dass die Kühlleistung nicht den Messbereich des Taupunkt-Hygrometers bestimmt. Der Messbereich eines Taupunkt-Hygrometers ist so definiert, dass die Temperatur der Spiegeloberfläche direkt an der Oberfläche gemessen werden kann, wenn die Tau- oder Frostschicht eine bestimmte Dicke aufweist. Daher liegt der Messbereich eines Taupunkt-Hygrometers bei normalen Tau-/Frostpunkten in der Regel 5 °C über seiner Kühlleistung und bei niedrigen Frostpunkten in der Regel 10–12 °C darüber. Beispielsweise liegt der untere Messbereich des Taupunktmessgeräts DP19 der Firma MBW (Schweiz) bei einer Raumtemperatur von 10 °C bei -60 °C, bei 20 °C bei -55 °C und bei 35 °C bei -45 °C. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff und Helium verringert sich der Messbereich um einige Grad. Auch mit steigendem Druck des Messgases verringert sich der Messbereich. Bei Luft und Stickstoff reduziert sich der Messbereich unter Überdruck mit jedem zusätzlichen Atmosphärendruck um etwa 0,67 °C.
1.1.2.3
Temperaturmessgerät
Derzeit werden zur Temperaturmessung meist Vierleiter-Platinwiderstände verwendet. Der Widerstandswert und die Temperatur des Platin-Widerstandssensors weisen in einem relativ breiten Temperaturbereich eine nahezu lineare Beziehung auf. Er zeichnet sich durch hohe Präzision, gute Stabilität, ein starkes Ausgangssignal und eine komfortable digitale Anzeige aus.
1.1.2.4
Detektionssystem
Derzeit verwenden alle Taupunktmessgeräte, mit Ausnahme des kürzlich von der finnischen Firma Vaisala entwickelten Kaltspiegel-Taupunktmessgeräts, das nach dem Schallwellenprinzip misst, fotoelektrische Sensoren zur Messung und Regelung. Die fotoelektrische Detektionstechnologie ist seit Jahrzehnten im Einsatz und ausgereift. Ihr Nachteil besteht jedoch darin, dass sie unterkühltes Wasser nicht von Frost unterscheiden kann.
1.1.3
Vorsichtsmaßnahmen für die Verwendung
1.1.3.1
Unterkühltes Wasser und Frost
Im Bereich von 0–20 °C bildet sich leicht unterkühltes Wasser auf der Spiegeloberfläche. Da der Sättigungsdampfdruck an der Eis- und der Wasseroberfläche unterschiedlich ist, liegt der Messwert unterhalb des Gefrierpunkts, wenn sich unterkühltes Wasser auf der Spiegeloberfläche bildet, und die Temperatur weicht ab. Beispielsweise beträgt die Temperatur des unterkühlten Wassers bei einem Gefrierpunkt von -10 °C -11,23 °C. Daher ist bei dieser Temperatur besondere Vorsicht geboten. Verfügt das Gerät über ein Endoskop, kann dies beobachtet und die Temperaturdifferenz mithilfe des Endoskops bestimmt werden. Die meisten Geräte verfügen heutzutage über eine Testfunktion zur Bestimmung ihrer minimalen Kühlleistung. In diesem Fall kann die Temperatur des Spiegels auf unter -20 °C gesenkt werden, um die Bildung von Frost auf dem Spiegel zu gewährleisten. Anschließend kann eine Messung durchgeführt werden.
1.1.3.2
Kelvin-Effekt
Der Sättigungsdampfdruck des Wassers an der Oberfläche unterscheidet sich von dem auf der Ebene. Beim Kontakt mit der Metalloberfläche erhöht sich der Gleichgewichtsdampfdruck des Wassers, d. h. der Sättigungsdampfdruck an der gekrümmten Wasseroberfläche, aufgrund der Oberflächenspannung – bekannt als Kelvin-Effekt. Aufgrund des Kelvin-Effekts ist die ermittelte Taupunkttemperatur niedriger als die Taupunkttemperatur des tatsächlich gemessenen Gases.
1.1.3.2
Raoul-Effekt
Das bedeutet, dass der Gleichgewichtsdampfdruck des Systems niedriger ist als der Sättigungsdampfdruck von reinem Wasser, wenn sich wasserlösliche Substanzen auf dem Spiegel befinden. Diese wasserlöslichen Substanzen können Bestandteile des Spiegels oder des gemessenen Gases sein. Gemäß dem Raoulschen Gesetz ist die Abnahme des Gleichgewichtsdampfdrucks proportional zur Konzentration der Lösung. Daher kommt es frühzeitig zur Kondensation, bevor der Taupunkt des gemessenen Gases erreicht ist.
Der Kelvin-Effekt ist das Gegenteil des Raoul-Effekts und kann diesen daher teilweise kompensieren. Bei der Taupunktmessung ist der Raoul-Effekt jedoch bedeutsamer als der Kelvin-Effekt, da wasserlösliche Substanzen im Spiegel und im Messgas zwangsläufig vorhanden sind. Zudem können Verunreinigungen im Gas mit wasserunlöslichen Substanzen auf dem Spiegel chemisch oder photochemisch reagieren und sich dabei in lösliche Substanzen umwandeln. Dieser Effekt tritt besonders deutlich bei der Feuchtigkeitsmessung von industriellen Prozessgasen auf. Daher ist es notwendig, Feststoffpartikel im Gas mithilfe geeigneter Filter zu entfernen und die auf der Spiegeloberfläche verbliebenen löslichen Substanzen durch wiederholtes Kondensieren und Enttauen zu beseitigen. Dieses Verfahren findet breite Anwendung.
In der Praxis zeigt sich häufig, dass die Spiegeloberfläche beim Abtragen von Ablagerungen uneben ist. Die Schicht bildet sich stets in bestimmten Bereichen des Spiegels. Ursache hierfür sind oft Kratzer, da sich in diesen Bereichen einerseits Materialreste nur schwer entfernen lassen und andererseits die Ecken als „freiliegende Kerne“ wirken und den Abtragungsprozess beschleunigen. Daher ist beim Umgang mit dem Taupunktmessgerät, insbesondere bei der Spiegelreinigung, Vorsicht geboten, um mechanische Beschädigungen des Spiegels zu vermeiden.
1.1.3.3
Spiegelverunreinigung
Zum einen handelt es sich um den Raoul-Effekt, zum anderen um eine Veränderung der spiegelnden Hintergrundstreuung. Der Raoul-Effekt wird hauptsächlich durch wasserlösliche Substanzen verursacht. Sind solche Substanzen im Messgas enthalten (in der Regel lösliche Salze), beschlägt der Spiegel vorzeitig, was zu einer positiven Abweichung der Messergebnisse führt. Sind die Schadstoffe hingegen wasserunlösliche Partikel wie Staub, erhöht sich die Hintergrundstreuung, wodurch der fotoelektrische Taupunktmesser seinen Nullpunkt verliert.
1.1.3.4
Abtastkanal
Da der Wassergehalt in der Atmosphäre sehr hoch ist und Wassermoleküle polare Moleküle sind, werden sie leicht an der Innenwand von Rohrleitungen adsorbiert oder dringen durch die Rohrleitung hindurch. Daher muss das Gasleitungssystem während der Messung dicht sein. Die Wandstärke der Rohrleitungen muss mindestens 1 mm betragen, um das Eindringen von Wasser aus der Umgebung und damit Leckagen zu verhindern. Bei starken Temperaturänderungen in der Messumgebung muss die Dichtheit der Rohrleitung erneut überprüft werden.
Wird das Messgas direkt in die Atmosphäre abgeleitet, muss die Diffusion von Wasser in das Messsystem berücksichtigt werden. Üblicherweise wird hierfür ein Rohr geeigneter Länge an den Auslass angeschlossen. Länge und Durchmesser des Rohrs werden so gewählt, dass der Druck in der Messkammer nicht beeinflusst wird.
Die Probenahmeleitung sollte so kurz wie möglich sein, die Anzahl der Verbindungsstellen sollte reduziert und der „Totraum“ vermieden werden, um die Beeinträchtigung durch das Hintergrundwasser zu minimieren.
Die Probenahmeleitung und die Wand des Messraums sind sauber und glatt, und es wurde hydrophobes Material verwendet. Abbildung 2-2 zeigt die Desorptionszeitkurve verschiedener Materialien bei der Begasung mit trockenem Gas im Zustand gesättigter Adsorption. Aus den experimentellen Ergebnissen ergibt sich folgende Reihenfolge der Materialauswahl: Edelstahl, PTFE, Kupfer, Polyethylen und – am ungeeignetsten – Nylon- und Gummischläuche, die für Messungen bei niedrigen Frostpunkten nicht verwendet werden sollten. Darüber hinaus beträgt der Außendurchmesser des Schlauchs 6 mm bzw. 1/4 Zoll, obwohl bei Messungen bei niedrigen Frostpunkten innen polierte Edelstahlrohre verwendet werden.
Bei der Messung des oberen Taupunkts muss darauf geachtet werden, dass der Taupunkt unter der Umgebungstemperatur von 3°C liegt, um die Kondensation von Wasserdampf in der Rohrleitung zu vermeiden.
Bei der Feuchtigkeitsmessung mit dem Taupunkthygrometer liegt der Durchflussbereich zwischen 0,25 l/min und 1 l/min. Innerhalb dieses Bereichs hat eine Änderung der Durchflussgeschwindigkeit keinen Einfluss auf die Messergebnisse.
Die Probenahme lässt sich in zwei Arten unterteilen: Druckprobenahme, die je nach Probenahmemethode in Druckmessung und Atmosphärendruckmessung differenziert wird (siehe Abbildungen 2-3 und 2-4), und Atmosphärendruckmessung, bei der die Probe mittels einer Pumpe entnommen wird. Hierbei entstehen aufgrund der unterschiedlichen Probenahmemethoden häufig künstliche Über- und Unterdrücke. Wird die Probenahme wie in Abbildung 2-5 dargestellt durchgeführt, misst das Taupunktmessgerät unter Druck, was zu einem positiven Messfehler führt. Werden Pumpe und Durchflussmesser vertauscht, befindet sich das Taupunktmessgerät unter Unterdruck, was einen negativen Messfehler zur Folge hat. Die korrekte Probenahmemethode ist in den Abbildungen 2-6 dargestellt.
1.1.4
Anwendung
Der Messbereich des Taupunkt-Hygrometers ist groß. Aktuell deckt eine von der Schweizer Firma MBW entwickelte Serie von Taupunkt-Hygrometern einen Messbereich von -95 °C bis 70 °C ab und erfüllt damit die meisten Messanforderungen.
1.1.5
Für und Wider
Vorteile: Es handelt sich um eine grundlegende und präzise Messung; das Gerät ist stabil und driftfrei. Das Gerät mit der höchsten Genauigkeit erreicht ±0,1 °C.
Nachteil: Hoher Preis, hohe Anforderungen an das Personal und Wartungsaufwand. Empfindlich gegenüber Verunreinigungen. Im Bereich von -20 °C bis 0 °C kann unterkühltes Wasser auftreten; daher ist besondere Vorsicht geboten, um unterkühltes Wasser von Frost zu unterscheiden.
1.2
Ein Mikro-Wasserzähler für die vollständige Absorptionselektrolyse
1.2.1
Messprinzip
Mittels kontinuierlicher Probenahme durchströmt die Gasprobe eine Elektrolysezelle mit spezieller Struktur. Die Feuchtigkeit in der Zelle wird von der Phosphorpentoxidschicht als hygroskopisches Mittel absorbiert und durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt, wodurch das Phosphorpentoxid regeneriert wird. Der Reaktionsprozess lässt sich wie folgt darstellen:
P2O5+H2O=2HPO3
2HPO3=H2+1/2O2+P2O5
Die Kombination von (1) und (2) ergibt:
2H2O=2H2+O2
Wenn Absorption und Elektrolyse im Gleichgewicht sind, wird das in die Elektrolysezelle eintretende Wasser von der Phosphorpentoxid-Filmschicht absorbiert und elektrolysiert. Sind Umgebungstemperatur, Umgebungsdruck und Gasstrom bekannt, lässt sich der Zusammenhang zwischen dem Elektrolysestrom des Wassers und dem Wassergehalt der Gasprobe mithilfe des Faraday'schen Gesetzes der Elektrolyse und der Gasgesetze ableiten.
In Formel:
Elektrolytischer Strom des Wassers, μA;
Wassergehalt der Gasprobe, μL/L (d. h. Volumenverhältnis)
Gasfluss, ml/min
Umweltdruck, Pa;
Absolute Temperatur der Umgebung, K;
Wie aus der obigen Formel ersichtlich, ist die Stärke des Elektrolysestroms proportional zum Wassergehalt der Gasprobe. Daher lässt sich der Wassergehalt der Gasprobe durch Messung des Elektrolysestroms bestimmen. Unter Normalbedingungen (Atmosphärendruck und 20 °C) strömt ein ideales Gas mit einer Flussrate von 100 ml/min durch die Elektrolysezelle. Bei einem Wassergehalt der Gasprobe von 1 μL/L (ppmv) ergibt sich gemäß der Formel ein Elektrolysestrom von 13,4 μA. Dieses Messgerät verwendet üblicherweise ppmv als Einheit und kann den ppmv-Wert des Feuchtigkeitsgehalts in der Gasprobe direkt ablesen.
Aufgrund der katalytischen Wirkung der Platinelektrode ist die Wasserelektrolyse ein reversibler Prozess. Besteht die gemessene Gasprobe aus Wasserstoff, Sauerstoff oder enthält sie beides in ausreichendem Maße, verschiebt sich das Gleichgewicht nach links. Der durch die Elektrolyse entstandene Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser, und es findet eine zweite Elektrolyse statt. Dadurch erhöht sich der Gesamtstrom der Elektrolyse – ein Effekt, der als „Wasserstoffeffekt“ und „Sauerstoffeffekt“ oder „Kombinationseffekt“ bezeichnet wird. Experimente zeigen, dass die Messwerte für diese Gase um einige bis zehn ppmv höher liegen, wenn der Wassergehalt mit diesem Gerät gemessen wird. Diese Abweichung der Konzentrationsreaktion liegt jedoch unter dem Hintergrundwert und kann daher vernachlässigt werden.
1.2.2
Struktur
Das Gerät besteht aus zwei Teilen: einem Gaswegsystem und einem Schaltkreis. Das Gaswegsystem umfasst im Wesentlichen eine Elektrolysezelle und einen Gasweg-Steuerteil.
1.2.2.1
Batterie
In dem Glasrohr sind zwei Platinelektroden zu einer Doppelspirale gewickelt, und zwischen den Elektroden befindet sich eine gleichmäßige Beschichtung aus Phosphorpentoxid als hygroskopischem Mittel. Unter den vorgegebenen Messbedingungen gewährleistet die innere Wickelstruktur die Absorption und Elektrolyse des gesamten in das Becken einströmenden Wassers. Die Glaswand des Beckens begünstigt die gleichmäßige Phosphorpentoxid-Beschichtung. Da Platin Wasserstoff und Sauerstoff, insbesondere wasserstoffreiches Gas, erzeugt, die erneut zu Wasser reagieren, verwenden einige Unternehmen Rhodium anstelle von Platin.
Bei der Beschichtung mit trockenem Phosphorpentoxid entsteht beim Einleiten einer absolut trockenen Gasprobe und Anlegen einer geeigneten Gleichspannung an die Elektrode ein kleiner Strom-Hintergrundwert im Stromkreis. Dieser Hintergrundwert hängt ausschließlich von der Zellstruktur, dem Zustand der Beschichtung, der Temperatur und der Probenart ab, nicht jedoch vom Wassergehalt der Probe. Da sich der Hintergrundwert stets zum elektrolytischen Strom der in der Gasprobe enthaltenen Feuchtigkeit addiert, muss der tatsächliche Feuchtigkeitsgehalt des Mediums bei der Messung vom Messwert abgezogen werden.
1.2.2.2
Pneumatisches Steuerungssystem
Das pneumatische System besteht aus einem Steuerventil, einer Elektrolysezelle, einem Durchflussregelventil, einem Durchflussmesser und einem Trockner. Die Steuerung des Luftstroms erfolgt über das Steuerventil.
1.2.3
Vorsichtsmaßnahmen für die Verwendung
Aus der Formel geht hervor, dass die Messergebnisse, d. h. die Luftfeuchtigkeit des Gases in μL/L (ppmv), anhand des Gasdurchflusses und des Elektrolytstroms berechnet werden. Daher muss der Gasdurchfluss präzise kontrolliert und gemessen werden. Solche Messgeräte verwenden üblicherweise Schwimmer-Durchflussmesser und werden bei 20 °C und 1 atm mit Luft kalibriert. Weichen die Betriebsbedingungen von den Standardbedingungen ab, z. B. bei abweichender Temperatur und abweichendem Druck, oder handelt es sich bei dem Messgas nicht um Luft, muss das Messgas erneut kalibriert oder mit einem Korrekturfaktor korrigiert werden.
1.2.4
Anwendung
Der Messbereich erstreckt sich von wenigen μL/L(ppmV) bis 2000 μL/L(ppmV), die Genauigkeit beträgt 5 % des Messwerts bzw. 1 % des Messbereichs. Die Erfindung eignet sich für eine Vielzahl von Edelgasen sowie einige organische und anorganische Gase, die nicht mit P₂O₅ reagieren. Beispiele hierfür sind Luft, Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Argon, Helium, Neon, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid, Methan, Ethan, Propan, Butan, Erdgas und bestimmte Freone. Sie ist nicht geeignet für bestimmte korrosive Gase und Gase, die mit P₂O₅ reagieren, wie beispielsweise Ethanol, bestimmte saure Gase und ungesättigte Kohlenwasserstoffe.
1.2.5
Für und Wider
Vorteile: Absolute Messung, stabil, keine Drift.
Nachteil: Die Batterie hat eine begrenzte Lebensdauer und muss regeneriert werden. Sowohl hohe als auch niedrige Luftfeuchtigkeit (<1 ppmv) verkürzen die Lebensdauer. Bei niedriger Luftfeuchtigkeit reagiert das Gerät langsam. Der Gasdurchfluss muss hoch sein. Es ist nicht für korrosive Gase und Gase, die mit P₂O₅ reagieren, geeignet. Hintergrundinformationen sind vorhanden.
1.3
Aluminiumoxid-Kapazitäts-Feuchtigkeitsmesser
1.3.1
Messprinzip, Aufbau und Anwendungsbereich
Das Gerät existiert in verschiedenen Ausführungen, beispielsweise als tragbares, batteriebetriebenes Gerät, mit Datenverarbeitung durch einen Mikroprozessor oder mit Multiparameteranzeige. Im Kern handelt es sich jedoch um einen Kondensator. Dieser besteht aus einer dünnen Schicht porösem Aluminiumoxid auf einem leitfähigen Substrat, auf die anschließend eine dünne Goldschicht aufgebracht wird. Das leitfähige Substrat und die Goldschicht bilden die Elektroden des Kondensators. Der Wasserdampf wird durch die Goldschicht vom porösen Aluminiumoxid absorbiert. Die Impedanz des Kondensators ist proportional zur Anzahl der Wassermoleküle, also zum Wasserdampfdruck. Der Feuchtigkeitspartialdruck lässt sich durch Messung der Impedanz oder Kapazität des Kondensators bestimmen, und der Taupunkt kann durch Umrechnung ermittelt werden.
Die dünne Aluminiumoxidschicht zwischen den Aluminium- und Goldelektroden reagiert im gesamten Bereich des Sättigungsdampfdrucks von 10⁻³ Pa (entspricht etwa -110 °C Taupunkt) auf Wasser. Aufgrund ihrer starken Affinität zu Wasser und der höheren Dielektrizitätskonstante von Wasser sind solche Instrumente hochselektiv für Wasser, reagieren aber nicht auf andere gängige Gase sowie organische Gase und Flüssigkeiten.
Die Genauigkeit beträgt ±1 bis ±2 °C im mittleren und hohen Luftfeuchtigkeitsbereich und ±2 bis ±3 °C im niedrigen Luftfeuchtigkeitsbereich, z. B. bei -100 °C. Der Sensor reagiert nicht mit Kohlenwasserstoffgasen, CO, CO₂ und HFKW-haltigen Gasen, jedoch ist die Drift bei verschiedenen Gasen unterschiedlich. Bestimmte korrosive Gase wie Ammoniak, SO₃ und Chlor können den Sensor beschädigen und sollten daher möglichst vermieden werden.
1.3.2
Vorsichtsmaßnahmen für die Verwendung
Der übliche Messbereich dieses Instruments liegt zwischen -110 °C und +20 °C. Bei höheren Taupunkten tritt eine größere Drift auf. Auch der Temperaturkoeffizient ist zu beachten. Aufgrund der Abhängigkeit vom Wasserdampfpartialdruck muss die Änderung des Gesamtdrucks des Gases während der Messung berücksichtigt werden.
Es kann Staub- und Ölverschmutzung vermeiden, und die Gasdurchflussrate ist größer, nämlich 3 bis 5 (L/min) oder sogar größer.
1.3.3
Für und Wider
Vorteile: Die Erfindung zeichnet sich durch einen breiten Ansprechbereich von 1 μL/L (ppmv) bis 80 % RH aus, kann ferngesteuert installiert werden, ist im Feld einsetzbar, bietet eine relativ stabile und schnelle Reaktion, einen geringen Temperaturkoeffizienten, ist unabhängig von Durchflussänderungen, weist eine hohe Selektivität gegenüber Wasser auf, kann in einem breiten Temperatur- und Druckbereich eingesetzt werden, hat einen geringen täglichen Wartungsaufwand und ein geringes Volumen.
Nachteil: Das Verfahren ist eine indirekte Messung, die bei höheren Temperaturen oder bestimmten Gasen zu Drift führen kann und durch korrosive Gase beeinträchtigt wird. Zudem muss der Sensor regelmäßig kalibriert werden, um Alterung, Hysterese und Verschmutzung auszugleichen. Da der Messwert nichtlinear ist, muss jeder Sensor einzeln kalibriert werden und ist daher nicht universell einsetzbar.
1.4
Dünnschicht-kapazitives Feuchtigkeitsmessgerät
1.4.1
Messprinzip, Aufbau und Anwendungsbereich
Es wird ein Polyaminsalz- oder Celluloseacetat-Polymerfilm verwendet, der auf zwei leitfähige Elektroden aufgebracht ist. Die Dielektrizitätskonstante zwischen den beiden Elektroden ändert sich, wenn der Film Wasser aufnimmt oder abgibt. Es gibt auch ein Verfahren, bei dem hochtemperaturbeständige Duroplaste zum Einsatz kommen, wodurch solche Sensoren auch bei Temperaturen über 100 °C kontinuierlich gemessen werden können. Aktuell verwende ich hochmolekulare Filme wie Visala.
1. Die Hauptfunktion besteht darin, andere Teile des Sensors zu unterstützen.
2. Eine der Elektroden besteht aus leitfähigem Material.
3. Dünnschicht. Sie ist das Herzstück des Sensors; die Wasseraufnahme der Schicht hängt von der relativen Luftfeuchtigkeit der Umgebung ab. Die Schichtdicke beträgt 1–10 µm.
4. Die obere Elektrode spielt ebenfalls eine wichtige Rolle für die Leistungsfähigkeit des Sensors. Um eine schnelle Reaktion zu erzielen, ist eine hohe Wasserdurchlässigkeit erforderlich. Sie muss zudem leitfähig sein.
5. Eine Kontaktfläche für eine obere Elektrode. Da die Konstruktion der oberen Elektrode vielen Einschränkungen unterliegt, ist ein separates Metall erforderlich, um einen guten Kontakt herzustellen.
Der Messbereich ist breit und reicht von -50 °C bis 100 °C Taupunkt. Er kann in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden, teilweise sogar ohne Temperaturkompensation. Hochtemperaturbeständige Duroplaste ermöglichen kontinuierliche Messungen solcher kapazitiver Feuchtigkeitssensoren bei Temperaturen bis zu 185 °C, wobei die maximal zulässige Temperatur vom Gehäusematerial des Sensors abhängt. Ein weiterer Vorteil von Duroplast-Sensoren ist der geringe Temperaturkoeffizient im Bereich von -50 °C bis 100 °C, wodurch Messungen in einem weiten Bereich problemlos möglich sind.
Alle Sensoren zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit sind temperaturempfindlich und führen bei einer Kalibrierung bei einer bestimmten Temperatur zu Messfehlern bei Verwendung bei einer anderen Temperatur. Ein Vorteil von Polymersensoren ist ihre geringere Temperaturabhängigkeit, d. h. ihre kleineren Temperaturkoeffizienten. Daher ist der Fehler gering, wenn die Betriebstemperatur von der Kalibriertemperatur abweicht. Eine elektronische Temperaturkompensation ist erforderlich, wenn die Messgrenze erreicht wird oder hohe Genauigkeitsanforderungen bestehen. Bei einem Temperaturbereich von weniger als 50 °C lässt sich die Temperatur einfach kompensieren. Bei einem größeren Temperaturbereich ist die Temperaturkompensation schwieriger. Moderne Polymersensoren erreichen jedoch eine Genauigkeit von ±1 % rF in einem engen Bereich und ±3 % rF in einem breiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich. Nach einer gewissen Nutzungsdauer oder nach Verschmutzung ist eine Neukalibrierung erforderlich.
1.4.2
Für und Wider
Vorteile: Das System zeichnet sich durch schnelle Reaktionszeit, einen großen Temperatur- und Feuchtigkeitsmessbereich, gute Linearität, geringe Hysterese, gute Stabilität und Wiederholbarkeit, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten und niedrige Kosten aus.
Nachteil: Fast keiner.
1.5
Widerstands-Hygrometer
1.5.1
Messprinzip und Struktur
Das empfindliche Material verwendet eine Polymerlösung eines quaternären Ammoniumsalzes als Matrix. Die funktionellen Gruppen reagieren mit dem Harzpolymer zu einem dreidimensionalen, duroplastischen Harz mit guter Stabilität. Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit führen zu einer Änderung des Widerstands zwischen Kathode und Anode.
1.5.2
Für und Wider
Es weist keine Hysterese und Alterung auf, hat einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, ist kostengünstig und verbraucht wenig Energie. Der Temperaturbereich liegt zwischen -10 °C und 80 °C, die Wiederholgenauigkeit ist besser als 0,5 % rF, die Genauigkeit ist hoch und beträgt in der Regel ±2 % rF, in einem sehr engen Bereich sogar ±1 % rF.
Nachteil: Es handelt sich um ein indirektes Messgerät, das regelmäßig kalibriert werden muss und für manche Schadstoffe ungeeignet ist. Bei Verwendung in einem breiten Temperaturbereich ist eine Temperaturkompensation erforderlich. Es reagiert empfindlicher auf Schadstoffe als kapazitive Sensoren. Es ist nicht für niedrige Luftfeuchtigkeit geeignet; die Empfindlichkeit nimmt bei einer relativen Luftfeuchtigkeit unter 15 % ab. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit nahe 100 % liefert es zwar noch gute Ergebnisse, jedoch kann Kondensation den Sensor beschädigen.
Manche Schadstoffe beeinflussen Widerstandssensoren stark, andere hingegen Kapazitätssensoren. Daher hängt die Auswahl des Sensors hauptsächlich von der Art der Schadstoffe ab.
1.6
Mechanisches Feuchtigkeitsmessgerät
1.6.1
Messprinzip und Struktur
Die Länge organischer Polymermaterialien wie Haare, Darmschleimhaut, Nylon und Polyimid ändert sich mit der relativen Luftfeuchtigkeit. Das mechanische Feuchtigkeitsmessgerät nutzt diese Eigenschaft, um aus dem genannten Material ein lineares, streifenförmiges Feuchtigkeitssensorelement herzustellen oder ein elastisches Material zu einem drahtförmigen Feuchtigkeitssensorelement aufzuwickeln. Anschließend wird die durch die Luftfeuchtigkeitsänderung verursachte geometrische Änderung mittels einer mechanischen Verstärkungsvorrichtung durch einen Zeiger angezeigt oder mit einem Schreibstift aufgezeichnet, wodurch die relative Luftfeuchtigkeit direkt ermittelt wird. Die Erfindung eignet sich zur Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit in Innenräumen wie Laboren, Serverräumen, Lagerhallen und Fabrikgebäuden.
1.6.2
Für und Wider
Vorteile: Kostengünstig, unempfindlich gegenüber den meisten Schadstoffen, kein Stromverbrauch und dauerhafte Aufzeichnung
Nachteile: Drift, bei längerem Einsatz bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit verliert das Gerät seine Empfindlichkeit, kann nicht unter 0°C verwendet werden, langsame Reaktionszeit, Transport oder Vibrationsschwankungen beeinträchtigen seine Leistung.
1.7
Trocken-Feuchte-Kugel-Hygrometer
1.7.1
Prinzip
Das Trocken-Feucht-Kugel-Hygrometer besteht aus zwei Thermometern mit identischen Spezifikationen. Das erste Thermometer, das Trockenkugel-Thermometer, misst die Umgebungstemperatur, indem es die Temperaturblase in das Messgas eintaucht. Der Messwert wird mit Ta (ta) angegeben. Das zweite Thermometer, die Feuchtkugel, ist mit einem speziellen Gaze-Überzug umhüllt, um die Kugel feucht zu halten. Befindet sich die Luft um die Feuchtkugel in einem ungesättigten Zustand, verdunstet die Feuchtigkeit auf dem Gaze-Überzug kontinuierlich. Da die Verdunstung Wärme benötigt, sinkt die Temperatur der Feuchtkugel. Ihr Messwert wird mit Tw (tw) angegeben. Die Verdunstungsgeschwindigkeit der Feuchtkugel hängt vom Feuchtigkeitsgehalt des umgebenden Gases ab. Je niedriger die Luftfeuchtigkeit, desto schneller verdunstet die Feuchtigkeit und desto niedriger die Temperatur der Feuchtkugel – und umgekehrt. Nach der genauen Temperaturmessung der Trocken- und Feuchtkugel wird der Feuchtigkeitswert mithilfe der Gleichung für Feuchtkugeln berechnet.
Aufgrund ihrer Einfachheit und der geringen Kosten waren Trocken-Nass-Kugelhygrometer in der Vergangenheit über einen beträchtlichen Zeitraum die am häufigsten verwendeten Hygrometer.
A humidity meter with good design and maintenance, in the temperature range of 5°C~80°C, if the temperature accuracy is ±0.2°C, the relative humidity accuracy is about ±3%RH. The accuracy of this principle is dependent on the accuracy of the thermometer. Platinum resistance thermometers are often used for some precise measurements. In general, the dry-wet ball hygrometer is a basic measurement method. If the calibrated thermometer is used and the operation is correct, such as the Assmann hygrometer, accurate, reliable and repeatable measurement results can be obtained. So in the past, this hygrometer was often used as a standard. However, many operators, especially in the industrial field, do not have enough energy and time, so the results are not accurate and unreliable. At present, the wet and dry spherical hygrometer is gradually replaced by modern instruments.
1.7.2
Für und Wider
Benefits: When the relative humidity is close to 100%RH, a higher accuracy can be obtained. Although there will be errors if the wet ball thermometer is polluted or used improperly, the maintenance cost is very low because of the simple device. The invention can be used in the situation that the room temperature is higher than 100°C, which is the basic measurement, the stability is good, the stability is simple, the cost is low.
Disadvantage: Some techniques are needed to obtain accurate measurements and calculations are needed to obtain the final results. A large number of gas samples are required, and the gas samples may be humidified by a wet gauze. When the relative humidity of the measured gas is lower than 15%RH, it is very difficult to reduce the temperature of the wet ball. When the temperature of wet ball is lower than 0°C, it is difficult to obtain reliable results. The volume cannot be too small because water is constantly supplied to the wet ball thermometer. Because dust, oil or other pollutants can pollute the gauze, or the water flow is insufficient, the temperature of the wet ball is higher, and the result of relative humidity is higher. In addition, the factors that affect the results are temperature measurement error, wind speed, radiation error and so on. When the temperature difference of dry and wet ball is 0.1°C at 20°C, the relative humidity error is 1%RH.
