Inhaltsverzeichnis. Inhaltsverzeichnis. 6 Analysenmeßtechnik, Bestimmung von Konzentrationen. 6.2 Luftfeuchtemessung

Transkript

1 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 6 Analysenmeßtechnik, Bestimmung von Konzentrationen 6.2 Luftfeuchtemessung Physikalische Grundlagen Meßverfahren Psychrometer Haarhygrometer Lithiumchlorid-Hygrometer Bistreifenhygrometer Leitfilm-Hygrometer Kapazitive Feuchtemessung Taupunkthygrometer Sensor zur Ermittlung der absoluten Feuchte Optisch-Akustische Feuchtemessung (Gasmotor) Feuchtemessung durch Messung der Schallgeschwindigkeit

2 174 6 Feuchtemessung 6.2 Luftfeuchtemessung J. Schiele Physikalische Grundlagen In der Lüftungs- und Klimatechnik ist die Messung der Zustandsgrößen der feuchten Luft von großer Bedeutung. Ebenso sind viele Fertigungsprozesse sehr vom Luftzustand abhängig, so z. B. die Papierherstellung und -verarbeitung, Tabakindustrie usw. Feuchte Luft besteht aus einem Gemisch aus trockener Luft und Wasserdampf [1]. Wegen der großen Molekülabstände verhält sich jedes der beiden Gase so, als ob es allein vorhanden wäre. Somit gilt die allgemeine Gasgleichung für jedes einzelne Gas des Gasgemisches: p d. V = m. R. T (6.2-1) Hierin bedeuten: p d = Partialdruck der Gaskomponente, V = ausgefülltes Volumen, J T= Temperatur in K, Gaskonstante R: R L = 287,2 für Luft und R d = 461,4 kg K für Wasserdampf, m = Masse des betreffenden Gases. J kg K Die Partialdrücke der einzelnen Bestandteile addieren sich zum Gesamtdruck, der von einem Barometer angezeigt wird. p = p d + p L Dalton sches Gesetz (6.2-2) Hierin bedeuten: p = Barometerstand, p d = Wasserdampfpartialdruck, p L = Partialdruck der Luft Für die Temperatur- und Druckbedingungen in der Klimatechnik können die Zusammenhänge zwischen Temperatur, Feuchte, Luftdruck und Enthalpie in der hier üblichen Darstellung im h,x-diagramm nach Mollier aufgezeigt werden siehe unten. Folgende vier Erscheinungsformen des Luft-Wasserdampfgemisches sind möglich: trockene Luft und überhitzter Wasserdampf trockene Luft und gesättigter Wasserdampf trockene Luft, gesättigter Wasserdampf und Wasser (ϑ > 0 C) trockene Luft, gesättigter Wasserdampf und Eis (ϑ < 0 C)

3 6 Feuchtemessung 175 Bei der Bestimmung der Feuchte eines Luft-Dampfgemisches wird unterschieden in Feuchtegehalt x der Luft und relativer Feuchte ϕ [2]. Der Feuchtegehalt x der Luft wird bestimmt durch das Verhältnis der Wasserdampfmenge m d zu der Masse der trockenen Luft m L : x = m m d L kg Wasserdampf kg trockene Luft (6.2-3) Über die Zustandsgleichungen für ideale Gase kann der Feuchtegehalt x weiterhin berechnet werden: Für die angegebenen Gleichungen gelten die gleichen Bezeichnungen wie oben: RL pd x = Rd p p pd x = 0, 622 p p d d kg Wasser kg tr.luft kg Wasser kg tr. Luft (6.2-4) (6.2-5) oder und pd g x = 0, p pd kg g Wasser kg tr. Luft ϕ ps x = 0, % ϕ p ps 100% Die relative Feuchte muß hier in % eingesetzt werden. g kg g Wasser kg tr.luft (6.2-5a) (6.2-6) Sie ergibt sich aus dem Verhältnis des Wasserdampfpartialdrucks pd zum Sättigungsdampfdruck des Wassers in der Luft ps bei gleicher Temperatur: ϕ = p p d s 100 % (6.2-7) Der Sättigungsdampfdruck kann den VDI-Wasserdampftafeln [3] oder der einschlägigen Literatur entnommen werden. Er kann auch mit den nachfolgend angegebenen, empirisch ermittelten Formeln berechnet werden, wobei die Temperatur ϑ in Kelvin umzurechnen ist: Die Konstanten a, b, c, d und s Hilfsrechengrößen.

4 176 6 Feuchtemessung T = ϑ + 273, 16 K (6.2-8) 273,16 K a = 10, T (6.2-9) T b = 5,028 log 273,16 K (6.2-10) T 4 c = 1, , ,16 K (6.2-11) 273,16 K 4 4, = 4, d T 2, (6.2-12) s= a+ b+ c+ d (6.2-13) p s = 10s 1013 hpa (6.2-14) Eine weitaus einfachere Näherungsgleichung wird von Prof. Dr. Vogel, FH Wolfenbüttel, angegeben [12]: p 19, 016 s = e 4064, , 25 ϑ mit ps in hpa und ϑ in C. (6.2-15) Die Abweichungen betragen im Bereich von 0 C bis 50 C nur 0,034 hpa gegenüber den Wasserdampftabellen [12]. Der Wasserdampfpartialdruck und damit die Anzahl der Wassermoleküle in einem Volumen kann nicht beliebig groß werden, die Luft kann nur eine maximale Wassermenge (xs = maximaler Feuchtegehalt) bei einer bestimmten Temperatur aufnehmen. Der zu diesem Zustand gehörende Wasserdampfpartialdruck entspricht dann dem Sättigungsdampfdruck ps des Wassers in der Luft. In diesem Zustand ist die Luft gesättigt, die relative Feuchte beträgt 100 %. Wie die Gleichungen und zeigen, ist der Sättigungsdampfdruck und damit der maximale Feuchtegehalt der Luft temperaturabhängig.. Die Luft kann um so mehr Wasser aufnehmen, je höher die Temperatur ist. Kühlt man ungesättigte Luft bei konstantem Gesamtdruck ab, so bleiben der Wassergehalt x und der Wasserdampfpartialdruck pd konstant. Bei einer bestimmten Temperatur ist der Sättigungsdampfdruck des Wassers der feuchten Luft gleich dem Wasserdampfpartialdruck der ungesättigten Luft. Für diesen Zustand gilt pd = ps. Die Luft ist jetzt gesättigt, d.h. sie kann keinen weiteren Wasserdampf mehr aufnehmen. Die relative Feuchte beträgt nun 100 %.

5 6 Feuchtemessung 177 Bei kleinster Unterschreitung dieser Temperatur (um ca. 0,1 K) scheidet aus der Luft Kondensat, also Wasser, aus. Die jetzt herrschende Temperatur wird Taupunkttemperatur der Luft genannt. Ist die Taupunkttemperatur ϑτ bekannt, kann mit genügend großer Genauigkeit der Sättigungsdampfdruck ps am Taupunkt nach der empirisch aufgestellten Formel berechnet werden: Für Taupunkttemperaturen von -10 bis +40 C gilt: 8,02 p s = 2,8868 τ hpa (6.2-16) ( 1,098 + ϑ /100 C) Stellt man diese Gleichung (6.2-16) nach ϑτ um, so erhält man folgende Gleichung: 1 ps 8,02 ( ) 109, 8 ϑ τ = 100 C (6.2-16a) 2,8868 Ferner läßt sich der Taupunkt auch durch Umstellung der Gleichung (6.2-15) nach ϑ, berechnen: ϑτ = 4064, , 25 C (6.2-17) ln ps 19, 016 Stellt man die Gleichung (6.2-5) nach pd um, setzt pd = ps und setzt diese umgestellte Gleichung in Gleichung (6.2-16) ein, so läßt sich aus dem Wassergehalt x der Luft der Taupunkt berechnen: 4064,95 ϑ τ = 236,25 C (6.2-18) x p ln 19, x mit x in g Wasser/kg tr.luft und Luftdruck p in hpa. Nach folgender Gleichung läßt sich der Sättigungsdampfdruck am Taupunkt der Luft aus dem Luftdruck p und dem Wassergehalt berechnen, wobei x wieder in g Wasser/kg tr. Luft eingesetzt werden muß:

6 178 6 Feuchtemessung p s = p x x hpa (6.2-19) Die Zusammenhänge sind schematisch im h,x-diagramm, Bild 6.2-1, dargestellt. R = Raumzustandspunkt Bild 6.2-1: Zustandspunkte im h,x-diagramm, schematisch Mit ϑ tr wird die trockene Temperatur, also die Raumtemperatur bezeichnet. Unter ϑ f versteht man die Feuchtkugeltemperatur. Sie ist die Temperatur, bis zu der Wasser mit nicht gesättigter Luft abgekült werden kann. Sie entspricht der Kühlgrenztemperatur Meßverfahren Die VDI-Richtlinie 2080 [4] gibt an, daß zur Feuchtemessung folgende physikalische Eigenschaften oder Vorgänge benutzt werden können: Verdunstungskühlung an feuchten Oberflächen Längenänderungen hygroskopischer Materialien elektrische Leitfähigkeit hygroskopischer Stoffe Wasserdampfkondensation bei Taupunktunterschreitung. Hieraus haben sich in der Praxis mehrere Meßverfahren bzw. Geräte entwickelt.

7 6 Feuchtemessung Psychrometer Das am häufigsten eingesetzte Psychrometer ist das Assmann sche Aspirationspsychrometer. Dieses besteht aus zwei gleichen, strahlungsgeschützten Thermometern. Das eine Thermometer mißt die "trockene" Temperatur, die Raumtemperatur ϑ tr. Das andere ist mit einem Baumwollstrumpf am Thermometergefäß überzogen, der befeuchtet wird, es mißt die sogenannte Feuchtkugeltemperatur ϑ f. Die Befeuchtung muß mit destilliertem Wasser erfolgen, damit der Baumwollstrumpf nicht verkalkt. Durch einen Ventilator (Aspirator), der durch ein Uhrwerk oder einen Elektromotor angetrieben wird, wird Luft an beiden Thermometern mit einer Luftgeschwindigkeit von 1,5 bis 2 m/s vorbeigesaugt, siehe Bild Am trockenen Thermometer wird die Raumlufttemperatur gemessen. Am befeuchteten Thermometer wird dem Baumwollstrumpf von der vorbeistreichenden, ungesättigten Luft Wasser in Form von Dampf entzogen. Die zur Verdampfung benötigte Wärme wird der Umgebung, also dem Thermometergefäß, entzogen, wodurch sich am befeuchteten Thermometer immer eine niedrigere Temperatur ergibt als an dem trockenen. Die sich ergebende Temperaturdifferenz ϑ tr - ϑ f ist ein Maß für die relative Feuchte der Luft. Mit steigender relativer Feuchte wird die Temperaturdifferenz kleiner, da die vorbeiströmende Luft weniger Wasser aufnehmen kann, wodurch sich auch eine geringere Verdunstungskühlung ergibt. Bei einer Luftfeuchtigkeit von 100 % ergibt sich ϑ tr = ϑ f, da keine Verdunstung mehr auftritt. Bild 6.2-2: Aspirations-Psychrometer

8 180 6 Feuchtemessung Aus den beiden Meßwerten von ϑ tr und ϑ f läßt sich die relative Feuchte der Luft sehr einfach im Psychrometer-Diagramm bestimmen, das schematisch im Bild dargestellt ist. Bei der Messung geht man wie folgt vor: Der Baumwollstrumpf wird mit destilliertem Wasser mit der mitgelieferten Pipette befeuchtet. Dann wird der Ventilator bis zum Anschlag aufgezogen (Uhrwerk) oder bei elektrischem Antrieb eingeschaltet. Das Psychrometer muß so gehalten werden, daß keine Körperwärme oder andere Wärmequellen die angesaugte Luft beeinflussen. Die Temperaturanzeige am befeuchteten Thermometer beginnt zu sinken. Die Messung ist dann beendet, wenn die Feuchtkugeltemperatur nicht mehr sinkt, also ihren tiefsten Punkt erreicht hat. Jetzt können ϑ tr und ϑ f abgelesen werden. Vor jeder Messung muß der Strumpf neu befeuchtet werden. Bei Langzeitmessungen endet der Strumpf in einem mit destilliertem Wasser gefüllten Gefäß, so daß immer Wasser durch den Strumpf an das Thermometer geleitet wird. Es ist darauf zu achten, daß immer genügend Wasser im Behälter vorhanden ist. Wie das Bild zeigt, muß an der Ordinatenachse die psychrometrische Differenz ϑ tr - ϑ f eingetragen werden. Auf der Abszisse wird die trockene Temperatur ϑ tr eingetragen. Im Schnittpunkt der beiden Linien kann die relative Feuchte abgelesen werden. Für die Praxis ist diese Messung ausreichend genau, obwohl die relative Feuchte einen Fehler von ± 3 % aufweisen kann. Luftdruckänderungen werden bei dieser Meßmethode nicht berücksichtigt, was für die allgemeine Klimatechnik auch nur eine untergeordnete Rolle spielt. Ferner kann die relative Feuchte auch über das h,x-diagramm mit Hilfe von ϑ tr und ϑ f ermittelt werden, siehe Bild Man trägt die beiden Temperaturen ϑ tr und ϑ f auf der senkrechten Achse an. Bei ϑ f geht man bis zur Sättigungslinie ϕ = 1. Von dort geht man auf einer Linie h = konst. (Isenthalpe) bis zum Schnittpunkt mit der Linie der trockenen Temperatur ϑ tr. Der so gefundene Punkt ist der Raumzustandspunkt, festgelegt durch ϑ tr und ϕ. Auch hier werden Luftdruckänderungen nicht berücksichtigt. Das h,x-diagramm gilt üblicherweise für einen Luftdruck von p = 1 bar.

9 6 Feuchtemessung Psychrometrischer Unterschied / K % 20 % 5 % relative Feuchte / % Temperatur des trockenen Thermometers ϑ / C 95 Bild 6.2-3: Psychrometer-Diagramm

10 182 6 Feuchtemessung Um diese Ungenauigkeiten zu umgehen, hat A. Sprung 1888 empirisch eine Formel entwickelt, mit der man den tatsächlichen Wasserdampfpartialdruck bei dem zur Zeit der Messung herrschenden Luftdruck p berechnen kann. Dies geschieht mit Hilfe der sog. Sprung schen Formel: p d p = pf k ( ϑ tr ϑf ) (6.2-20) 1007 hpa pd = tatsächlicher Wasserdampfpartialdruck der Luft bei Raumtemperatur in hpa pf = Sättigungsdampfdruck bei Feuchtkugeltemperatur in hpa k = dimensionsbehaftete Konstante: k = 0,66 hpa/k für Wasser/Luft (ϑf > 0 C) k = 0,53 hpa/k für Eis/Luft (ϑf < 0 C) ϑ tr - ϑ f = psychrometrische Differenz in K p = Luftdruck, Barometerstand in hpa Ferner gibt es auch kontinuierlich arbeitende Aspirations-Psychrometer, bei denen die Temperaturen mit Widerstandsthermometern gemessen werden. Die Erzeugung der Feuchtkugeltemperatur kann hier mit einem in ein Wasserbad reichenden Befeuchtungsstrumpf durchgeführt werden. Aus der Temperaturdifferenz wird dann über eine elektronische Auswerteeinheit nach den obigen Gleichungen die relative Feuchte ermittelt Haarhygrometer Bei der Messung der relativen Feuchte mit einem Haarhygrometer wird die Eigenschaft der Längenänderung von hygroskopischen Materialien ausgenutzt. Hygroskopische Stoffe enthalten Wasser in unterschiedlichen Mengen. Bei bestimmter Feuchte der Umgebungsluft stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem der betreffende Stoff weder Wasser aufnimmt noch abgibt. Außer Haaren werden noch Seide, Cellophan und Kunststoff (Pernix) verwendet. Die sich ergebenden Längenänderungen sind nicht linear und zum Teil auch temperaturabhängig. Diese Stoffe verlängern sich mit steigender Feuchte. Das Bild zeigt die Längenänderung von Haaren in Abhängigkeit von der relativen Feuchte.

11 6 Feuchtemessung 183 Haarlängenänderung in % der Gesamt- Länge 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, relative Feuchte ϕ in % Bild 6.2-4: Längenänderung von Haaren in Abhägigkeit von der relativen Feuchte Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Haarhygrometers mit einer sogenannten Haarharfe. Bild 6.2-5: Haarhygrometer, schematisch Haarhygrometer können auch mit Widerstandsferngebern ausgerüstet werden. Diese Geräte können dann in der Regelungstechnik eingesetzt werden. Die Längenänderung des Meßelements werden direkt auf einen Feinschleifwiderstand übertragen. Wicklung und Schleifer des Feinschleifwiderstandes bestehen aus einer Golddrahtlegierung. Es sind

12 184 6 Feuchtemessung verschiedene Ausgangssignale möglich, z.b ,5 Ω, Ω oder Ω, jeweils entsprechend 0 bis 100 % relativer Feuchte [5]. Haarhygrometer müssen des öfteren nachjustiert und zur Erhaltung der Elastizität der Haare in feuchte Luft gestellt werden. Es ist darauf zu achten, daß sich keine Wassertropfen auf der Haarharfe bilden. Die Messungen sind ungenau, insbesondere auch im Hinblick auf die Hysterese. Die Abweichungen liegen bei ± 5% im Bereich von 30 bis 90 % relativer Feuchte. Hygrometer mit Kunststoffmeßelement haben eine erheblich größere Langzeitstabilität, sie sollten aber etwa alle 6 Monate überprüft werden. Hygrometer werden sehr oft für Langzeitmessungen in schreibenden Geräten zusammen mit einer Temperaturmessung eingesetzt. In diesen Thermo-Hygrografen wird die Feuchte über ein Kunststoffelement und die Temperatur mit einem Bimetallstreifen gemessen. Die sich bei beiden Meßverfahren ergebenden Bewegungen werden über eine Mechanik auf Hebelarme übertragen, die mit einer Schreibeinrichtung versehen sind. Die Aufzeichnung erfolgt auf einem Papierstreifen, der um eine Trommel gelegt ist, die von einem Uhrwerk angetrieben wird Lithiumchlorid-Hygrometer, LiCl Der LiCl-Sensor besteht aus einer Keramikhülse oder einer außen isolierten Metallhülse, die mit einem Glasgewebe umgeben ist. Darüber sind zwei nebeneinanderliegende Drahtelektroden gewickelt, die am Ende nicht miteinander verbunden sind. Wird das Glasgewebe mit wässeriger LiCl-Lösung getränkt und an die Elektroden eine Wechselspannung gelegt, so fließt ein Strom durch die Lösung, erwärmt sie und verdampft das Wasser, bis der Stromfluß unterbrochen wird. Das zurückgebliebene, trockene LiCl-Salz ist sehr stark hygroskopisch und nimmt Wasser aus der Umgebungsluft auf. Dadurch steigt die Leitfähigkeit wieder, der Strom steigt, und es wird wieder Wasser verdampft. Nach einiger Zeit stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Verdampfung und Wasseraufnahme aus der Luft ein. Dabei nimmt die hygroskopische Schicht die sogenannte Umwandlungstemperatur ϑ u an, die mit einem Widerstandsthermometer gemessen wird, das sich in der Hülse befindet. Aus der Umwandlungstemperatur wird über eine Brückenschaltung der Taupunkt ϑτ der Luft gebildet. Soll die relative Feuchte ermittelt werden, so muß mit einem zweiten Temperatursensor die Raumtemperatur gemessen werden, meist in einer zweiten Brückenschaltung. Durch Zusammenschalten der beiden Brückenschaltungen kann dann

13 6 Feuchtemessung 185 die relative Feuchte angezeigt oder weiter verarbeitet werden. Den prinzipiellen Aufbau eines LiCl-Sensors zeigt das Bild Bild 6.2-6: LiCl-Sensor Die Wechselspannung an den beiden Elektroden darf nicht unterbrochen werden, da das hygroskopische Salz so viel Wasser aus der Luft aufnehmen würde, bis es vom Sensor abtropft, der dann unbrauchbar wäre. Regeneriert man ihn mit Tropfen LiCl-Lösung und schließt ihn wieder an die Spannung an, so ist er nach ca. 1 h wieder einsatzfähig. Der Sensor muß mit Wechselspannung betrieben werden, da sich bei Gleichspannung Elektrolyse ergeben würde. Die Meßgenauigkeit liegt zwischen ± 2 % und ± 3 % relativer Feuchte, der Taupunkt kann mit einer Genauigkeit von ca. ± 0,5...1 K bestimmt werden. Der Sensor hat eine hohe Langzeitstabilität und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Verschmutzung. Sein Einsatzbereich liegt zwischen -30 C und +100 C Lufttemperatur und einem Feuchtebereich von 10 % bis 100 % relativer Feuchte. Trotzdem wird der Sensor immer weniger eingesetzt wegen der hohen Ausfallrate bei Stromausfall, wie oben erklärt, da Sensoren häufig an unzugänglichen Stellen in einer RLT-Anlage eingesetzt werden und damit schwer zu regenerieren sind. In einem speziellen LiCl-Diagramm kann der Zusammenhang zwischen pd, ϑτ, ϑ u, ϑ tr und ϕ ermittelt werden. Die Kurve für die Umwandlungstemperatur ist fast identisch mit der ϕ = 10 %- Linie im h,x-diagramm Bistreifenhygrometer (Federhygrometer) Bei diesen Hygrometern handelt es sich um Meßelemente, die so aufgebaut sind, daß auf ein spiralförmiges Metallfederband einseitig eine hygroskopische Schicht aufgebracht ist. Die Funktion ist ähnlich der Arbeitsweise von Bimetalltemperaturmeßwerken. Hier hat die hygroskopische Schicht den größeren Ausdehnungskoeffizienten, so daß sich eine

14 186 6 Feuchtemessung meßbare Auslenkung ergibt [1]. Durch entsprechende Anpassung von Metallfeder und Schichtstärke der hygroskopischen Schicht haben diese Geräte einen sehr kleinen Temperaturgang und eine geringe hygroskopische Hysterese. Es werden Genauigkeiten von etwa ± 5 % wie bei Haarhygrometern erreicht. Die Meßelemente haben einen Durchmesser von ca cm, sind recht preiswert und haben dadurch eine weite Verbreitung in einfachen Hygrometern gefunden Leitfilm-Hygrometer Die Feuchtemessung mit Leitfähigkeitsmeßzellen beruht auf dem Prinzip, daß hygroskopischer, salzhaltiger Stoff seinen Widerstand in Abhängigkeit des Wassergehaltes ändert. Die Messung ist temperaturabhängig, so daß eine Temperaturkompensation erforderlich ist. Bekannt sind Leitfähigkeitsmeßzellen in Zylinder- und Plättchenform. Der Zylinder ist mit zwei parallel verlaufenden Edelmetalldrähten umwickelt und mit einer hygroskopischen Kunststoffschicht überzogen. Auf den Plättchen sind die Metalldrähte auf einem Isolierstoffplättchen in Mäanderform aufgebracht, wie das Bild zeigt. Die feuchtempfindliche Schicht kann z.b. LiCl-Gel oder eine aktivierte Polymerschicht sein. Der elektrolytische Widerstand zwischen den Elektroden fällt mit zunehmender Feuchte exponentiell ab und das um so stärker, je dünner die Schicht ist. Die relative Feuchte wird hier als Widerstandsänderung gemessen, also ϕ = f(r). Bild 6.2-8: Leitfilm-Hygrometer Diese Meßzellen können nur in Teilbereichen der Feuchte eingesetzt werden. Für größere Bereiche ist mit mehreren Meßzellen zu arbeiten. Diese Meßzellen arbeiten nicht linear, der Meßfehler kann bei sorgfältigem Einsatz und Abgleich auf ± 3 % begrenzt werden. Eine Regenerierung ist nicht erforderlich. Um Verschmutzungen zu vermeiden, werden entsprechende Filter empfohlen Kapazitive Feuchtemessung Als Meßelement dient hier ein Kondensator [6], der als Dielektrikum entweder Aluminiumoxyd (eloxierter Aluminiumkörper) oder eine Kunststoff-Folie enthält. Hier

15 6 Feuchtemessung 187 kann es sich um eine goldbedampfte Spezialfolie handeln, die ihre Dielektrizitätskonstante abhängig von der relativen Feuchte ändert. Die Kapazität des Kondensators steigt mit steigender Feuchte etwa linear um % an, je nach Aufbau. Die feuchte Luft gelangt durch einen porösen Goldbelag auf das Dielektrikum. Die Folie kann auch als Sandwich zwischen zwei Teflonfilter geklebt sein. Die Kapazität liegt bei 200 pf ± 40 pf, je nach Aufbau und wird mit einer Wechselspannung von ca. 15 V bei einer Frequenz von ca. 2,5 khz betrieben. Sie sind einsatzfähig zwischen % relativer Feuchte. Der prinzipielle Aufbau ist in Bild dargestellt. Der feuchteempfindliche Kondensator liegt in einem Schwingkreis als frequenzbestimmendes Glied, parallel zu einer Spule L. Die Schwingfrequenz wird in dem angeschlossenen Frequenz- Spannungswandler in eine Ausgangsspannung von z.b V, bzw V oder ma umgeformt. Die Ausgangsgrößen sind linear. Durch hygroskopische Hysterese, die ca. ± 0.5 % r.f. beträgt und Temperatureinflüsse werden Genauigkeiten von ± % relativer Feuchte erreicht. Im Temperaturbereich von C treten nur sehr geringe Fehler auf, die bei ca. ± 2 % relativer Feuchte liegen. Die Zeitkonstanten liegen bei etwa 10 Sekunden. Diese Sensoren werden heute üblicherweise wegen ihrer guten Langzeitstabilität und ihres betriebsicheren Verhaltens in Lüftungs- und Klimaanlagen eingesetzt. Bild 6.2-9: Kapazitiver Feuchtesensor Taupunkthygrometer Eine glänzende Platte (Metallspiegel) wird über ein Peltierelement (siehe Kapitel 2) soweit abgekühlt, bis sich gerade ein Tau- oder Eisniederschlag auf dem Spiegel messen läßt [1]. Oberhalb des Spiegels befinden sich Leuchtdioden, die Licht aussenden. Das von dem Spiegel reflektierte Licht wird von Fototransistoren aufgefangen. Bildet sich ein Niederschlag auf dem Spiegel, so wird das Licht nur noch diffus reflektiert, so daß nur noch ein geringer Teil vom Fototransistor empfangen wird. Die mit Temperatursensoren gemessene Spiegeltemperatur ist dann etwa die Taupunkttemperatur. Die erreichbare Genauigkeit der Taupunkttemperatur beträgt ca. ± 0,5 K bei Temperaturen über 0 C. Da ein geringer Niederschlag auf dem Spiegel erforderlich ist, um gemessen werden zu können, ist eine kleine Taupunktunterschreitung nötig. Bei Taupunkttemperaturen unter

16 188 6 Feuchtemessung - 20 C können sich größere Abweichungen ergeben. Die Messungen sind auch für aggressive Gase möglich. Die Meßzeit beträgt nur wenige Sekunden. Es ist eine kontinuierliche Messung. Soll nach diesem Verfahren die relative Feuchte ermittelt werden, so muß zusätzlich die Raumtemperatur gemessen werden. Die Auswertung geschieht dann über das h,x-diagramm oder die entsprechenden Formeln. Einen möglichen Aufbau des Taupunkt-Feuchtesensors zeigt das Bild [7]. Bild : Taupunkt-Feuchtesensor Sensor zur Ermittlung der absoluten Feuchte Diese Methode nutzt die Beziehung zwischen dem Feuchtegehalt x (siehe Gl ) und der Masse des aus einem Volumenstrom feuchter Luft auf einer Platinfolie sich niederschlagenden Wassers bei einer bestimmten Temperatur unterhalb des Taupunktes aus [8],[9].

17 6 Feuchtemessung 189 Bild : Schaltung zur Taupunktmessung mit Hilfe von Wärmeschwingungen Die Folie wird mit einer niederfrequenten elektrischen Leistung erwärmt, wodurch ein phasenverschobener sinusförmiger Temperaturverlauf der gleichen Frequenz entsteht. Aufgrund der Wärmekapazität der Folie entsteht zwischen dem Leistungsverlauf P(t) und dem Temperaturverlauf ϑ(t) eine Phasenverschiebung. Wird die Folie durch ein Peltierelement gekühlt, so schlägt sich bei geringfügigem Unterschreiten des Taupunktes der umgebenden Luft Wasser auf ihr nieder. Durch die zusätzliche Masse des Wassers mit seiner erheblich größeren Wärmekapazität gegenüber der Folie, vergrößert sich die Phasenverschiebung zwischen der zugeführten elektrischen Leistung und dem Temperaturverlauf auf der Folie. Diese Vergrößerung der Phasenverschiebung zeigt das Erreichen des Taupunktes an. Durch eine Regeleinrichtung wird die Folientemperatur auf einen Gleichgewichtszustand mit einer definierten Kondensatschichtdicke eingestellt. Bei dieser sind Kondensation und Verdampfung an der Oberfläche der Folie im Gleichgewicht. In diesem Zustandspunkt ist der Taupunkt der Luft erreicht Optisch-Akustische Feuchtemessung (Gasmotor) Der Gasmotor ist ein zuverlässiges und empfindliches Gerät zur automatischen Überwachung von Gasen und Dämpfen [10]. Eine Luftpumpe zieht in vom Anwender vorgegebenen Intervallen Luftproben durch zwei Luftfilter in die Meßkammer. Das Licht einer Infrarot-Lichtquelle wird von einem Spiegel gebündelt und durch ein Zerhackerrad und ein Filter, das nur Licht einer definierten Wellenlänge durchläßt, in eine Meßkammer geleitet, Bild Das durchgelassene Licht wird von dem zu messenden Gas, hier feuchte Luft, selektiv absorbiert. Dadurch steigt die Temperatur in der geschlossenen Meßkammer an, wodurch sich ein höherer Druck ergibt. Das einfallende Licht pulsiert mit der Frequenz des Zerhackerrades, ebenso pulsiert der Druck in der Meßkammer. Durch den Druck entsteht eine Schallwelle, also ein akustisches Signal, das direkt proportional zur Konzentration des zu messenden Wasserdampfes in der Luft in der Meßkammer ist. Zwei empfindliche Mikrofone in der Meßkammer messen das akustische Signal und geben es an ein Rechenwerk weiter. Hier werden dann die Größen Dampfdruck, relative Feuchte, Feuchtegehalt, Taupunkttemperatur und Lufttemperatur ermittelt. Ein Meßzyklus dauert 45 bis 55 Sekunden, einschließlich Spülung der Meßkammer.

18 190 6 Feuchtemessung Bild : Meßsystem des Gasmotors Feuchtemessung durch Messung der Schallgeschwindigkeit Bei diesem Verfahren wird der Effekt ausgenutzt, daß die Schallgeschwindigkeit in Wasserdampf ca. 25 % größer ist als in trockener Luft. Bei Trocknungsprozessen muß die Luftfeuchte vielfach bei Temperaturen über 100 C und bei hohen relativen Feuchten gemessen werden. Das hier beschriebene Verfahren ist bei Temperaturen bis 250 C und hoher Feuchte anwendbar [11]. Die Schallgeschwindigkeit in trockener Luft von 100 C beträgt ca. 385 m/s, in reinem Wasserdampf etwa 485 m/s. Die Schallgeschwindigkeit in Luft-Wasserdampfgemischen liegt dann zwischen diesen Werten. Da die Schallgeschwindigkeit auch von der Temperatur abhängt, muß sie gleichzeitig gemessen und bei der Auswertung mit berücksichtigt werden. In einer Schallquelle, die direkt dem Luftstrom ausgesetzt ist, wird ein Ton erzeugt, dessen Höhe vom Mischungsverhältnis von Wasserdampf und Luft abhängig ist. Die Schwingfrequenz ist also direkt ein Maß für die Feuchte in der Luft. In einem Piezokristall wird die Schwingfrequenz gemessen und über einen Frequenz-

19 6 Feuchtemessung 191 Spannungswandler in eine Ausgangsgleichspannung umgeformt. Es stehen auch Stromausgänge zur Verfügung. Literaturverzeichnis [1] Profos, P. und Pfeiffer, T. : Handbuch der industriellen Meßtechnik [2] Arbeitskreis der Dozenten für Regelungstechnik: Regelungstechnik in der Versorgungstechnik, 3. Auflage, C. F. Müller Verlag, Karlsruhe, 1992 [3] VDI Wasserdampftafeln, Springerverlag Berlin, 1969 [4] VDI 2080, Meßverfahren und Meßgeräte für raumlufttechnische Anlagen, Oktober 1984 [5] Unterlagen der Firma M. K. Juchheim GmbH, Fulda: Meßwertgeber für Temperatur und Feuchte [6] Unterlagen der Firma ROTRONIC Meßgeräte GmbH, Frankfurt/M [7] Unterlagen der Firma Brüel & Kjaer, Quickborn: Daten und Fakten, Raumklima-Analysator [8] Reza Talebi-Daryani, Luftfeuchtemessung mit Hilfe von Wärmeschwingungen, Dissertation TU Berlin, 1987 [9] Unterlagen der Firma Endres und Hauser [10] Unterlagen der Firma Brüel & Kjaer, Quickborn: Daten und Fakten, Gasmotor [11] Unterlagen der Firma Mahlo GmbH & Co KG, Saal/Donau [12] BWK, Brennstoff-Wärme-Kraft, Band 48, 1996, Nr. 1/2, Ausgabe-Nr. 70