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Feuchtemessgeräte nach dem Kondensationsverfahren

Grundlagen

Ein geschlossenes Volumen enthält Wasser in flüssiger oder fester Phase. Durch Verdampfung wird oberhalb der flüssigen oder festen Wasseroberfläche Wasserdampf entstehen, dessen Menge von der Temperatur abhängig ist. Dieser Zusammenhang wird durch den Sättigungsdampfdruck $e_{w}(t)$ der reinen Phase beschrieben und als Dampfdruckkurve im p,t –Diagramm dargestellt.

Wird die Temperatur verändert, so verändert sich auch die Wasserdampfmenge. Bei fallender Temperatur kondensiert Wasser als Flüssigkeit oder Eis aus. Bei konstanter Temperatur wird sich ein Gleichgewicht zwischen Verdampfung und Kondensation einstellen. Man spricht von thermodynamischen Gleichgewicht.

Dampfdruckkurve von Wasser

Befindet sich in einem geschlossenen Volumen außer Wasser in flüssiger oder fester Phase noch ein Gas, so verdampft das Wasser unabhängig von diesem Gas (Gesetz von Dalton) und es entsteht ein Mischsystem aus Wasserdampf und Gas.

Auch hier kann, bei einer bestimmten Temperatur, nur eine begrenzte Menge Wasserdampf vom Gas aufgenommen werden. Da es sich bei dem Gemisch Gas/Wasserdampf um ein reales Mischgassystem handelt, kommt noch eine Abhängigkeit vom Druck über die Enhancement-Faktoren $f_{w}$ hinzu.

$e{\grave {}}_{w}(p,t)=e_{w}(t)\cdot f_{w}(p,t)$

Die Temperatur, bei der Kondensation bzw. Sublimation mit der Verdampfung im thermodynamischen Gleichgewicht steht, wird Taupunkt- bzw. Frostpunkttemperatur genannt.

Dieser einfache und klare physikalische Zusammenhang bildet die Grundlage für die Feuchtemessgeräte, die nach dem Kondensationsverfahren arbeiten.

In diesen Geräten wird das Mischgassystem Wasserdampf/Gas soweit abgekühlt, bis Wasser kondensiert oder sich Eis durch Sublimation bildet. Die Taupunkt- bzw. Frostpunkttemperatur wird jetzt gemessen und konstant gehalten, so dass die Kondensation bzw. Sublimation mit der Verdampfung im thermodynamischen Gleichgewicht steht. Die technische Ausführung des geschlossenen Mischgasvolumens und die Art und Weise der Temperaturabsenkung ist bei den einzelnen Geräten unterschiedlich.

Kann der Energiefluss zur Temperaturabsenkung geregelt werden, so gelten die beschriebenen physikalischen Abhängigkeiten auch für offene Systeme, wie Fließprozesse. Ein Mischgasstrom mit zeitlich unterschiedlicher Wasserdampfbeladung wird an einer Sensorfläche, deren Temperatur geregelt wird, vorbeigeführt.

Die unterschiedliche Wasserdampfbeladung erfordert unterschiedliche Temperaturen zur Erzeugung des Phasenüberganges und Aufrechterhaltung des thermodynamischen Gleichgewichtes. Ein System der automatischen Erkennung des Phasenüberganges ist daher erforderlich.

Dies wird in den Geräten der neuen Generation auf verschiedenen Arten realisiert.

Kleiner historischer Überblick

J.F.Daniell

Taupunkt-Hygrometer nach Daniell

John Frederic Daniell, britischer Chemiker ( *12. März 1790 in London, † 13. März 1845 in London ),

gelang 1820 die Messung der Luftfeuchtigkeit mittels eines von ihm entwickelten Taupunkthygrometers.

Aufbau und Funktion

An einer Säule, die ein Thermometer zur Bestimmung der Lufttemperatur trägt., ist eine U-förmige Glasröhre mit nach unten gerichteten Schenkeln angebracht. Die beiden Schenkeln des U-Rohres sind an den Enden zu Kugeln ausgebildet.

Taupunkthygrometer nach Daniell

Taupunkthygrometer nach Daniell

Die linke Kugel A ist zum Teil mit Äther gefüllt. Im Schenkel B befindet sich ein Thermometer, dessen Spitze in den Äther eintaucht. Im Innenraum des gesamten U-Rohr C und auch der rechten Kugel D befindet sich somit Ätherdampf mit einem der Umgebungstemperatur entsprechenden Partialdruck.

Die rechte Kugel ist außen mit Stoff umhüllt und wird von außen mit Äther beträufelt. Durch die Verdunstung des außen aufgebrachten Äthers sinkt die Temperatur der rechten Kugel und es kommt innerhalb dieser Kugel zur Kondensation des inneren Ätherdampf. Dadurch sinkt der Partialdruck im Innenraum der Glaskonstruktion. Da der Partialdruck entsprechend der Außentemperatur jedoch wieder ansteigen muss, kommt es innerhalb der linken Kugel zur Verdampfung von Äther. Dies führt nun seinerseits zur Temperaturabsenkung in der linken Kugel.

Wird durch diese Temperaturabsenkung die Kondensationstemperatur der Umgebungsluft an der Kugeloberfläche unterschritten, so entsteht Wasserkondensat auf der linken Kugeloberfläche. Zur besseren Erkennung der Kondensatbildung ist auf der linken Kugel ein Streifen vergoldet. Bei Einsetzen der Kondensation wird am inneren linken Thermometer die Temperatur abgelesen.

Durch Kippen der Apparatur kann der Äther aus der linken Kugel in die rechte fließen. Die linke Kugel nimmt aus der Umgebung Wärme auf und die Kondensatbildung verschwindet wieder. Auch jetzt wird am linken Thermometer die Temperatur abgelesen. Aus dem Mittelwert der beiden Temperaturmesswerte wird die Taupunkttemperatur bestimmt.

H.V.Regnault

Taupunktkappen nach Regnault

Henri Victor Regnault, ein deutsch-französischer Physiker und Chemiker ( *21.Juli 1810, †19,Januar 1878 )

entwickelte 1845 die Taupunktkappe.

Aufbau und Funktion

Ein teilweise verspiegeltes Glasgefäß wird im Bereich der Verspiegelung mit Äther gefüllt. Ein Thermometer, welches in den Äther hineinragt und das menschliche Auge sind die technische Ausrüstung zur Messung. Das Glasgefäß wird nach der Befüllung oben verschlossen. Durch zwei Öffnungen werden Glasröhrchen eingeführt, wobei ein Röhrchen bis in den Äther taucht. Das Thermometer wird ebenfalls durch den Verschluss bis in den Äther eingebracht.

Taupunktkappe nach Regnault

Taupunktkappe nach Regnault

Durch das Röhrchen, welches bis in den Äther ragt, wird Luft geblasen. Durch Wärmeaufnahme aus diesem Luftstrom verdunstet der Äther im Zwischenraum. Der Ätherdampf tritt aus der zweiten Öffnung aus.

Die Verdampfung des Äther führt zur Temperaturabsenkung der verspiegelten Wand, an der sich dann ein Kondensatbelag des Wasser aus der Umgebungsluft bildet. Die Belagbildung wird mit dem Auge wahrgenommen und die Temperatur der Oberfläche, die gleich der Temperatur des Äthers ist, mit dem Thermometer gemessen.

Diese Oberflächentemperatur ist die Taupunkttemperatur.

Einsatzbereich

Der Einsatzbereich der Taupunktkappen für die Taupunkttemperaturmessung erstreckte sich wenige Grade unter der Umgebungstemperatur.

Die Messunsicherheit war groß, da zum einen der Zeitpunkt der Betauung von der Unterscheidungsempfindlichkeit des menschlichen Auges abhängt und zum anderen die Ableseunsicherheit des Thermometers durch den Menschen mit eingeht.

Taupunktdose nach Lambrecht

Wilhelm Lambrecht ( *1834, †1904 in Göttingen )

Verbesserte die Möglichkeit der Betauungserkennung erheblich.

Die größte Unsicherheit bei der Messung mit der Taupunktkappe ist die Bestimmung des Kondensationszeitpunktes. Das menschliche Auge ist gegenüber schleichenden Veränderung sehr träge.

Er führte eine geteilte Spiegelwand ein.

Aufbau und Funktion

Eine auf der Vorderseite blank polierte Metallplatte A trägt auf der Rückseite eine rund Metalldose B, in die von oben ein Thermometer Th hineinragt. Die Metalldose wird zur Hälfte mit Äther gefüllt.

Taupunkthygrometer nach Lambrecht

Durch ein Rohr C wird mittels eines Handgebläses Luft durch den Äther geblasen Dieser verdunstet und kühlt das ganze Gefäß und auch die Luft in seiner direkten Umgebung ab.

Wenn der Taupunkt erreicht ist, kondensiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf und beschlägt die blanke Platte A. Damit der Augenblick des Beschlagens der Platte gut zu beobachten ist, um sofort das Thermometer abzulesen, ist der mittlere Teil der blanken Fläche durch einen Schlitz D von dem darunter liegenden Teil getrennt.

Der Kondensationsbelag tritt dann zuerst nur auf dem oberen mittleren, mit der Metalldose verbundenen Teil der Fläche auf und kann gut gegen den unbeschlagenen Teil erkannt werden.

Datei:Jean Peltier by Antoine Maurin.jpg

J.Peltier

Peltier

Der französische Physiker Jean, Charles, Athanase Peltier (*22. Februar 1785 in Ham, †27. Oktober 1845 in Paris )

entdeckte 1834, dass die von einem elektrischen Strom durchflossene Lötstelle zweier verschiedenartiger Metalle sich je nach Stromrichtung erwärmt oder abkühlt.

Dadurch konnte durch die Regelung des Stromes auf elektrischem Wege eine bestimmte Temperatur an einer Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle erzeugt werden.

Bis Mitte des 20 Jh. blieb das Peltierelement weitgehend unbeachtet. Erst die Entwicklung von Halbleitern vollzog auch bei den Peltierelementen einen Entwicklungsschub.

Berechenbar wurde der Peltiereffekt erst in den letzten Jahren mit Hilfe der theoretischen Physik. Eine Verschaltung mehrerer Verbindungsstellen und die kaskadenartige Stapelung solcher Verbindungsstellen führte in den 60-ziger Jahren zum technischen Einsatz von Peltierelementen in der Kühltechnik.

Taupunktspiegel

Jetzt erfolgte auch der erste Einsatz von Peltierlementen bei den Taupunktspiegeln (auch 'Taupunktspiegelhygrometer').

Das Problem der Betauungsbeobachtung bestand jedoch weiter.

1965 gelang es Harold E.Edgerton ( *6. April 1903 in Fremont, USA, †4. Januar 1990 in Cambridge, Begründer der Firma EG & G 1947) durch die Entwicklung einer elektro-optischen Abtastung der Spiegeloberfläche, die Beobachtung der Kondensation vom menschlichen Auge unabhängig zu machen.

Damit und mit der Verwendung von temperaturabhängigen Messwiderständen war der letzte wichtige Schritt zum Messen der Taupunkttemperatur in offenen Systemen getan.

Seit den 70-ger Jahren werden Taupunktspiegel zum Messen der Taupunkttemperatur in offenen Systemen eingesetzt.

Taupunktspiegel heute

Taupunktspiegel ComAir von EgdeTech (Nachfolger von EG & G)

Moderne Taupunktspiegel sind folgendermaßen aufgebaut:

Eine verspiegelte metallische Oberfläche wird mittels eines Peltierelementes bis auf Kondensationstemperatur abgekühlt. Bei Erreichen der Taupunkttemperatur kondensiert das Wasser auf dem Spiegel. Dadurch nimmt das Reflexionsvermögen des Spiegels ab. Wird der Spiegel mittels einer Diode beleuchtet und das reflektierte Licht mittels einer Photozelle aufgefangen, so entsteht ein elektrischer Strom, der von dem Reflexionsvermögen des Spiegels abhängt.

Ein zweiter Lichtstrahl, der nicht durch die Kondensationserscheinungen beeinflusst wird, dient als Referenz. Beide Lichtstrahlen haben vor der Kondensation die gleiche Lichtintensität und erzeugen an zwei Photozellen den gleichen Strom. Der Vergleich der beiden Ströme, vorzugsweise in einer Brückenschaltung, wird zur Steuerung des Peltierstromes genutzt.

Weicht der reflektierte Strahl aufgrund der Kondensationserscheinungen am Spiegel von der ursprünglichen Beleuchtungsstärke, die durch den Referenzstrahl festgehalten wird, ab, so entsteht ein Differenzsignal an der Brücke, was zur Steuerung des Peltierstromes genutzt wird.

Bei konstanter Taupunkttemperatur wird der Peltierstrom in sehr engen Grenzen geregelt, so dass die Temperatur der Spiegeloberfläche auf +/-0,05°C stabil ist. Kondensations- und Verdampfungsvorgänge befinden sich deshalb im Gleichgewicht.

Die Taupunkttemperatur wird mittels eines temperaturabhängigen Widerstandes (PT100, PT1000) als Oberflächentemperatur (oder Körpertemperatur) des Spiegels drift- und hysteresefrei gemessen.

Moderner Taupunktspiegel mit Optik, Peltierstromregelung und Temperaturmessung mit PT100

Taupunktspiegel mit Peltierkühlung sind für einen Messbereich von –90°C bis 100°C mit einer minimalen Messunsicherheit von +/-0,1K einsetzbar. Sie unterliegen weder einer Drift noch einer Hysterese.

Jedoch sind Taupunktspiegel gegen feste und flüssige Partikel im Messgas empfindlich, da Partikel jeglicher Art den Messlichtstrahl streuen. Ob der Streupartikel kondensiertes Wasser oder Schmutz ist, kann das Messverfahren nicht unterscheiden.

Es gibt auch Taupunktspiegel, die anstelle einer Peltierkühlung eine cryostatische Kühlung mit flüssigen Stickstoff besitzen. Solche Geräte können noch Taupunkttemperaturen bis –115°C messen.

In Kombination mit einem Gastemperaturfühler und einem Drucksensor vermögen manche Geräte nicht nur alle drei relevanten physikalischen Größen zu messen und anzuzeigen, sondern auch mittels eingebauter Rechner, alle anderen Kenngrößen der Feuchte zu berechnen.

Hierbei gibt es zwei unterschiedliche Gerätegruppen: Solche, die bei der Berechnung die Enhancement-Faktoren berücksichtigen und solche, die mit der einfachen Magnus-Formel arbeiten.

Literatur

• Weber, Dieter: Technische Feuchtemessung in Gasen und Festkörpern. Vulkan-Verlag, Essen 2002, ISBN 3-8027-3201-4.
• Baehr/Kabelac: Thermodynamik. 14. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2009, ISBN 978-3-642-00555-8.