Grundlagen Meßtechnik

Kapitel 2 - Signalkonditionierung

2.2.4 Feuchtesensoren

In der atmosphärischen Luft befinden sich immer mehr oder weniger große Mengen an Wasserdampf. Der Gehalt wird als Luftfeuchtigkeit (Feuchte) bezeichnet. Der Partialdruck des Wasserdampfes kann einen temperaturabhängigen Höchstwert (den Sättigungsdampfdruck) nicht überschreiten, d.h. bei jeder Temperatur kann in einem bestimmten Luftvolumen nur eine Höchstmenge Wasserdampf enthalten sein.

2.2.4.1 Maximale Feuchte Fmax

Unter der maximalen Feuchte Fmax (Sättigungsmenge) versteht man die bei einer bestimmten Temperatur in einem Kubikmeter Luft maximal mögliche Wasserdampfmenge:

 Gleichung 2.66

2.2.4.2 Absolute Feuchte Fabs

Unter der absoluten Feuchte Fabs versteht man die in einem Kubikmeter Luft tatsächlich enthaltene Wasserdampfmenge:

 Gleichung 2.67

2.2.4.3 Relative Feuchte Frel

Unter der relativen Feuchte Frel (auch j) versteht man das Verhältnis der tatsächlich enthaltenen zur maximal möglichen Masse des Wasserdampfes in der Luft:

 Gleichung 2.68

Da die maximale Feuchte Fmax stark temperaturabhängig ist, ändert sich mit der Temperatur die relative Feuchte, auch wenn die absolute Feuchte konstant bleibt. Bei einer Abkühlung bis zum Taupunkt steigt die relative Feuchte auf 100%. Mit Taupunkt bezeichnet man die Temperatur, bei der die Abkühlung feuchter Luft zur Kondenswasserbildung (Tau) führt.

 Bild 2.55

 Bild 2.56

Für die messtechnische Erfasssung der relativen Feuchte gibt es verschiedene Verfahren:

2.2.4.4 Sättigungsverfahren

Beim Taupunktspiegelmeßgerät wird direkt die Taupunkttemperatur, also die absolute Feuchte gemessen. Eine polierte Metallfläche wird so weit abgekühlt, bis sie sich beschlägt. Dann ist die in der Luft enthaltene Wasserdampfmenge gleich der maximal möglichen Sättigung. Aus der Temperatur der Metallfläche und dem Sättigungsdampfdruck des Wasserdampfes (aus Tabellen: absolute Feuchtigkeit und Sättigungsdampfdruck in Abhängigkeit von der Temperatur) kann dann die relative Feuchte berechnet werden. Diese Methode wird vor allem zur Eichung eingesetzt.

Der Lithiumchloridsensor benutzt den gesetzmäßigen Zusammenhang zwischen der Umwandlungstemperatur von LiCl-Lösung und LiCl-Salz und dem Taupunkt. Ein Widerstandsthermometer ist in einem Metallrohr eingeschlossen. Die Metallhülse ist von einem Glasgewebe umgeben, das mit LiCl-Lösung getränkt ist. Darüber sind zwei nebeneinander liegende Drahtelektroden gewickelt, die mit Wechselspannung versorgt werden. Es fließt ein Strom durch die Lösung, erwärmt diese und verdampft Wasser, bis im Gleichgewichtszustand die elektrische Energiezufuhr der zur Wasserverdampfung notwendigen Wärmemenge entspricht. Aus Umwandlungstabellen läßt sich dann die relative Feuchte berechnen.

2.2.4.5 Verdunstungsverfahren

Beim Psychrometer wird ein Thermometer wird mit einem feuchten Lappen umwickelt. Durch Verdunsten kühlt es sich ab, bis seine Umgebung mit Wasserdampf gesättigt ist. Ein zweites, trockenes Thermometer zeigt die Temperatur der Luft an. Das feuchte Thermometer kühlt sich um so mehr ab, je trockener die Luft ist. Die zum Verdunsten erforderliche Wärme wird vor allem dem Thermometer entzogen. Die Temperaturdifferenz der beiden Thermometer ist ein Maß für die relative Feuchtigkeit.

2.2.4.6 Absorptionsverfahren

Das Elektrolysehygrometer benutzt den elektrischen Zersetzungsstrom von absorbiertem Wasser zur Messung der Luftfeuchte, dessen Wert vom Feuchtegehalt der zu messenden Luft abhängt.

Das Volumenhygrometer absorbiert (=aufsaugen, aufnehmen) das in der zu messenden Luft vorhandene Wasser. Die Feuchtebestimmung erfolgt durch das von einem Absorptionsmittel (z.B. durch Chlorkalzium) aufgenommene Wasservolumen durch auswiegen.

2.2.4.7 Spektralverfahren

Das Infrarothygrometer benutzt die Absorption von Wasserbanden im Infrarotbereich bei der Messung der Luftfeuchte.

2.2.4.8 Hygroskopische Verfahren

Hygroskopisch: Die Fähigkeit von Materialien Wasser aufzunehmen, zurückzuhalten oder abzugeben.

Mit dem Haarhygrometer wird die relative Feuchte der Luft durch die Längenänderung von Haaren erfaßt und auf eine Zeigerwerk übertragen.

Das Kondensatorhygrometer verwendet einen Sensor, dessen Kapazität je nach der vorhandenen Wasserdampfmenge variiert. Dieser Kondensator besteht aus zwei Wasserdampfdurchlässigen Metallelektroden und einem Dielektrikum dessen Dielektrizitätskonstante feuchteabhängig ist, z.B. Aluminiumoxid oder spezielle Kunststoffolien (Bild 2.57). Der Kapazitätsverlauf ist an einem Beispiel in Bild 2.58dargestellt. Man sieht, daß es naturgemäß eine bestimmte Grundkapazität C0 gibt, und daß der Kapazitätsanstieg nichtlinear erfolgt. In einem beschränkten Bereich läßt sich die Nichtlinearität mit einem Serienkondensator weitgehend beseitigen.

 Bild 2.57

 Bild 2.58

Bild 2.59 zeigt eine Schaltung zur Auswertung des Sensorsignals. Grundlage ist die Messung der Kapazität. Die Schaltung besteht aus zwei Multivibratoren. Der Multivibrator M1 (I1,I2,I3) schwingt mit einer konstanten Frequenz von ca. 90 kHz. Er synchronisiert über D1 den Multivibrator M2 (I4,I5,I6), dessen Einschaltdauer durch den Feuchtesensor bestimmt wird. Die Einschaltdauern beider Schwingkreise sind bei der Feuchte Null gleich lang (Abgleich: C2 = C0). Mit zunehmender Feuchte wird die Einschaltdauer von M2 größer (Bild 2.60). Bildet man die Differenz der Einschaltdauern, erhält man mit U3 ein Signal, daß proportional zu DC ist und damit auch näherungsweise proportional zur Feuchte. Das Tiefpaßfilter R5/C4 bildet den zeitlichen Mittelwert.

 Bild 2.59

 Gleichung 2.69

und T = 2 * t1 gilt

 Gleichung 2.70

 Bild 2.60

Fehlerbetrachtung

Werden die beiden Multivibratoren mit einem Chip realisiert, so liegt der Vorteil darin, daß sich die RC-Oszillatorfrequenzen prozentual um den gleichen positiven oder negativen Betrag aufgrund von Alterung oder Temperaturdrift ändern.

Der zum Sensor parallel liegende Kondensator sollte einen negativen Temperaturkoeffizienten (TK) haben (N750), um den positven TK des Sensors wenigstens zum Teil zu kompensieren. Aus dem gleichen Grund sollte der Kondensator C1 einen positiven TK (P100) haben.

Ablagerungen an der Elektrodenoberfläche des Sensors verändern die Sensorkapazität durch Bildung eines Leckwiderstandes und führen zu Kriechströmen, die wiederum eine unerwünschte Frequenzänderung des Oszillators verursachen. Eine Verschmutzung des Sensors, z.B. durch hygroskopische Partikel, sollte vermieden werden (Luftfilter).

2.2.4.9 Kalibrierung

Steht für die Kalibrierung keine geeignete Klimakammer zur Verfügung, dann kann die sie auch mit Hilfe von gesättigten Salzlösungen in einem geschlossenen Behälter erfolgen. Tabelle 2.11 gibt eine Übersicht über eine Reihe von Salzen, bei denen sich bei einer bestimmten Temperatur eine konstante Feuchte einstellt. Wichtig ist die Temperaturgleichheit von Salzlösung, Feuchtesensor und der fortlaufend verwirbelten Luft in einem geschlossenen Behälter für mindestens 30 Minuten. Eine Temperaturdifferenz von 1 °C kann schon eine Abweichung von einigen Prozent der relativen Luftfeuchte bedeuten. Um sicherzugehen, sollte die Temperatur in der Salzlösung und am Sensor gemessen werden.

Salz

Temperatur [°C]

 

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

 

relative Feuchte [%]
gelöstes Salz in g je 100g H2O

Sicherheitsdatenblatt
vorhanden von Merck
Kaliumsulfat K2SO4

98
8,25

98
9,2

97
10,3

97
11,2

97
12

96
12,9

96
13,9

96
14,8

96
15,7

96
16,5

Artikelnummer: 105153
EG-Nummer: 231-915-5
Kaliumnitrat KNO3

96
15

95
21,5

94
24

93
31,5

92
37,5

91
45,6

89
54

88
63,9

85
73

82
85,7

Artikelnummer: 105063
EG-Nummer: 231-818-8
Kaliumchlorid KCl

88
30

88
31,2

87
32

86
34,4

85
36

85
37

84
38

82
40,3

81
40,5

80
43,1

Artikelnummer: 104936
EG-Nummer: 231-211-8
Ammoniumsulfat (NH4)2SO4

82
72

82
72,7

81
73

81
75,4

80
75,5

80
78

80
78

79
81,2

79
82

78
84,3

Artikelnummer: 101217
EG-Nummer: 231-984-1
Natriumchlorid NaCl

76
36

76
36

76
36

76
33

75
36

75
36

75
36

75
36,4

75
37

75
37

Artikelnummer: 106404
EG-Nummer: 231-598-3
Natriumnitrit NaNO2

-
-

-
-

-
-

65
88

65
92,7

63
96,7

62
101

62
105

59
109

59
113

Artikelnummer: 106549
EG-Nummer: 231-555-9
Ammoniumnitrat NH4NO3

-
-

73
150,3

69
170

65
178,7

62
212

59
232

55
260

53
283

47
313

42
344

Artikelnummer: 101188
EG-Nummer: 229-347-8
Natriumdichromat Na2Cr2O7

59
166,3

58
170,3

56
174,8

55
180,1

54
188

52
197,5

51
207,7

50
220,5

47
232

-
-

Artikelnummer: 106336
EG-Nummer: 234-190-3
Magnesiumnitrat Mg(NO3)2

58
64,5

57
66

56
68

55
70,5

53
73,9

52
77,5

50
81,8

49
86

46
90,6

-
-

Artikelnummer: 105853
EG-Nummer: 233-826-7
Kaliumcarbonat K2CO3

-
-

47
109

44
109,8

44
111,5

43
112,4

43
114

43
115,4

42
117

-
-

-
-

Artikelnummer: 104928
EG-Nummer: 209-529-3
Magnesiumchlorid MgCl2

34
53

34
53,5

34
53,8

33
54,3

33
54,5

33
55,3

32
55,8

32
56,5

31
57,5

30
58,7

Artikelnummer: 105833
EG-Nummer: 232-094-6
Kaliumacetat CH3COOK

-
-

21
234

21
242

22
256

22
271

22
284

21
304

20
323

-
-

-
-

Artikelnummer: 104820
EG-Nummer: 204-822-2
Lithiumchlorid LiCl

14
71,5

14
74,5

13
76

12
78,6

12
80,8

12
84,5

12
87,5

11
90,4

11
93,7

11
97,8

Artikelnummer: 105679
EG-Nummer: 231-212-3

Tabelle 2.11

Gesättigte Lösung

Kenngröße für die maximale Menge eines Stoffes, die bei festgelegten Druck- und Temperaturbedingungen in einer bestimmten Menge eines anderen Stoffes unter Bildung eines homogenen Gemisches (gesättigte Lösung) aufgenommen wird.

Die Löslichkeit eines Stoffes (Salzes) in einer Flüssigkeit ist stark Temperaturabhängig und steigt mit zunehmender Temperatur (Tabelle 2.11).

Ist die Lösung übersättigt, dann bilden die restlichen Salze einen Bodensatz.

Die Kurve für die Abweichung aus Bild 2.58 zeigt, daß für die Kalibrierung vier Punkte ausreichend sind:

  1. Der Meßbereichsanfang bei ca. 10%
  2. Das erste Meßbereichsdrittel bei ca. 36%
  3. Das zweite Meßbereichsdrittel bei ca. 63%
  4. Das Meßbereichsende bei ca. 90%

Dafür werden vier gesättigte Lösungen benötigt:

  1. xx g Lithiumchlorid (LiCl) in 100 ml Wasser für 12% bei 20 °C
  2. xx g Magnesiumchlorid (MgCl2) in 100 ml Wasser für 33% bei 20 °C
  3. xx g Ammoniumnitrat (NH4NO3) in 100 ml Wasser für 65% bei 20 °C
  4. 40 g Kaliumchlorid (KCl) in 100 ml Wasser für 86% bei 20 °C

Um sicherzugehen, daß eine gesättigte Lösung hergestellt wurde, sollten die Mengen der entsprechenden Salze etwas höher gewählt werden. Die überschüssige Menge Salz wird sich am Boden des Behälters absetzen. Es wird also die relative Feuchte über einer gesättigten Salzlösung mit viel Bodensatz gemessen.

Hier einige Beispiele:

Lösung von Lithiumchlorid

(1.xx g Lithiumchlorid (LiCl) in 100 ml Wasser für 12% bei 20 °C).

Da nach Merck-Katalog die Löslichkeit mit 820g/l wasserfreies Salz bei 20 Grad C angegeben ist, werden mindestens 82 g LiCl in 100g dest. Wasser (vorher einmal aufgekocht, um gelöste Gase zu verringern) unter leichtem Erwärmen gelöst. Hierbei ist zu Beachten, daß die Lösung nicht zu stark erwärmt wird (zunehmende Löslichkeit, Salz kristallisiert danach wieder aus) und daß immer etwas Bodensatz an Kristallkeimen vorhanden ist, um keine übersättigten Lösungen zu erhalten. Diese ergeben beim Kristallisieren eine Temperaturerhöhung, oder als übersättigte Lösung falsche Feuchtigkeitswerte. Bei der Herstellung der Lösung ist weiterhin zu beachten, daß hier die Einwaage des wasserfreien Salzes gemeint ist, es kommt aber auch mit 1, 2, oder 3 Kristallwasser in den Handel. Nach Remy kristallisiert LiCl nur über 98 Grad C wasserfrei, und das kristallwasserhaltige Salz ist beim Erwärmen zerfließlich, d.h. es löst sich in seinem eigenem Kristallwasser. Muß das Salz getrocknet werden, so ist hier eine Temperatur über 100°C zu wählen, da das Salz bis zu höheren Temperaturen stabil ist. Für die Lösung eignen sich die folgenden MERCK-Artikel:

Lithiumchlorid zur Analyse, MERCK-Nr.: 5679, ca. 29,-- DM/100g
Lithiumchlorid reinst, MERCK-Nr.: 5675, ca. 44,-- DM/250g
(->Sicherheitsdatenblatt)
(->Römpp 8, 2386)

Lösung von Magnesiumchlorid

(2.xx g Magnesiumchlorid (MgCl2) in 100 ml Wasser für 33% bei 20 °C).

Nach MERCK-Katalog beträgt die Löslichkeit des Hexa-Hydrats 1670g/l bei 20°C. Weitere Literaturangaben ergeben eine Löslichkeit von 54,4g wasserfreiem Salz in 100g Wasser. Sollte das Salz getrocknet werden müssen, ist zu Beachten, daß sich das Salz über 116,7°C zersetzt. Zur Herstellung der Lösung werden mindestens 167g Magnesiumchlorid-Hexahydrat wie o.a. in 100 g Wasser gelöst. Für die Herstellung der Lösung eignen sich die folgenden MERCK-Artikel:

Magnesiunchlorid-Hexahydrat zur Analyse, MERCK-Nr.: 5833, ca. 20,25 DM/250 g
Magnesiunchlorid-Hexahydrat reinst, MERCK-Nr.: 5832, ca. 22,75 DM/1000 g
Magnesiunchlorid-Hexahydrat rein, MERCK-Nr.: 5831, ca. 83,50 DM/5000 g
(->Sicherheitsdatenblatt)
(->Römpp 8, 2453)

Lösung von Ammoniumnitrat

(3.xx g Ammoniumnitrat (NH4NO3) in 100 ml Wasser für 65% bei 20 °C).

Nach MERCK-Katalog beträgt die Löslichkeit des Salzes 1183g/l bei 20°C. Weitere Literaturangaben ergeben eine Löslichkeit von 118g Salz in 100g Wasser bei 0°C, bei 25°C 214g/100g Wasser. Sollte das Salz getrocknet werden, ist auf die thermische Zersetzung oberhalb 120°C zu achten. Weiterhin ist auf die stark brandfördernde Wirkung hinzuweisen. (Einsatz als Sicherheitssprengstoff!) Zur Herstellung der Lösung werden mindestens 118g Ammoniumnitrat wie o.a. in 100 g Wasser gelöst. Dabei erfolgt eine starke Abkühlung, so daß die Lösung ggf. leicht erwärmt werden muß. Für die Herstellung der Lösung eignen sich die folgenden MERCK-Artikel:

Ammoniumnitrat zur Analyse, MERCK-Nr.: 1188, ca. 19,25 DM/500 g
Ammoniumnitrat reinst, MERCK-Nr.: 1187, ca. 30,-- DM/1000 g
Ammoniumnitrat rein, MERCK-Nr.: 1186, ca. 27,25 DM/1000 g
(->Sicherheitsdatenblatt)
(->Römpp 8, 190)

Lösung von Kaliumchlorid

(4.40 g Kaliumchlorid (KCl) in 100 ml Wasser für 86% bei 20 °C).

Nach MERCK-Katalog beträgt die Löslichkeit des Salzes 340g/l bei 20°C. Zur Herstellung der Lösung werden mindestens 34g Kaliumchlorid wie o.a. in 100 g Wasser gelöst. Für die Herstellung der Lösung eignen sich die folgenden MERCK-Artikel:

Kaliumchlorid zur Analyse, MERCK-Nr.: 4936, ca. 13,-- DM/100 g
Kaliumchlorid reinst DAB, MERCK-Nr.: 4935, ca. 22,25 DM/1000 g
(->Sicherheitsdatenblatt)
(->Römpp 8, 2014)

Nullpunkt

Und hier noch eine Möglichkeit den absoluten Nullpunkt zu erfassen. Das einfachste ist den Einsatz von Kieselgel mit Feuchtigkeitsindikator (Silica Gel: xSiO2xnH2O). Das ist das Zeugs, welches immer den Kartons mit elektronischen Geräten liegt. Meistens in kleinen Stoffsäckchen eingeschlossen. Dieses Kieselgel hat jedoch keinen Feuchtigkeitsindikator. Beim Einsatz von Kieselgel stellt sich eine Restfeuchte von 0.002 mg/l ein.

Diesen Punkt sollte man jedoch mit in die Kalibrierung aufnehmen, weil die Sensoren in der Regel an den Endpunkten keine lineare Kennlinie besitzen, aber zur Kontrolle kann es auf jeden Fall nicht Schaden.

Achtung: Bei dem Umgang mit Chemikalien sollten Grundsätzlich die Sicherheitsdatenblätter für die jeweiligen Chemikalien beachtet werden.

Literatur:

1) Merck Katalog Reagenzien,Diagnostika,Chemikalien 1992/93, E.Merck, Darmstadt

2) H. Remy, Lehrbuch der anorganischen Chemie, Band I, 13.Auflage,Leipzig

3) Sicherheitsdatenblätter von Merck von 1998


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