Ein weit verbreitetes Instrument zur Messung der Luftfeuchtigkeit (und anderer Gase) ist ein Kondensationshygrometer. Sein Funktionsprinzip besteht darin, die Temperatur, den sogenannten Taupunkt, zu messen, bei der die Kondensation von Feuchtigkeit aus der Luft beginnt.
Was ist Luftfeuchtigkeit
Ein Hygrometer misst den Feuchtigkeitsgeh alt der Luft, der als absoluter oder relativer Wert dargestellt werden kann. Der erste von ihnen gibt einfach die Masse von Wasserdampf in 1 Kubikmeter an. m Luft bei einer bestimmten Temperatur. Aber das zweite zeigt, wie nahe der Wasserdampf in der Luft einem Sättigungszustand ist, also einem dynamischen Gleichgewicht mit seiner flüssigen Phase – wenn weder Verdunstung noch Kondensation stattfindet. Sie ist gleich dem Verhältnis der gemessenen absoluten Luftfeuchte zu ihrer absoluten Luftfeuchte im Sättigungszustand. Wenn der Wasserdampf in der Luft gesättigt ist (wiederum bei einer bestimmten Temperatur), beträgt die relative Luftfeuchtigkeit dieser Luft 100 %. In Luft mit ungesättigtem Wasserdampf ist sie entsprechend geringer.
So funktioniert ein Kondensationshygrometer
Das Funktionsprinzip jedes Geräts zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit besteht in der Regel darin, eine andere Größe zu messen, z. B. Temperatur, Druck, Masse oder mechanische und elektrische Änderungen in einer Substanz, die Feuchtigkeit aufnimmt. Durch entsprechende Kalibrierung und Berechnung können diese Messwerte zur Bestimmung der absoluten oder relativen Luftfeuchte führen. Eine sehr wichtige Rolle bei diesem Prozess spielt die Temperatur, bei der die Dampfsättigung eintritt, der so genannte Taupunkt. Moderne elektronische Geräte zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit messen in der Regel diese Temperatur oder Änderungen der elektrischen Kapazität oder des Widerstands verschiedener absorbierender Substanzen, die dann (automatisch) in Feuchtigkeitsindikatoren umgewandelt werden.
Kondensationshygrometer-Gerät
Seine Arbeit basiert genau auf der Messung von Wasserdampf in der Luft nach der Taupunktmethode. Bei diesem Verfahren wird eine Oberfläche, typischerweise ein Metallspiegel, auf eine Temperatur gekühlt, bei der das Wasser auf der Oberfläche des Spiegels im Gleichgewicht mit dem Dampfdruck des Wassers im Probengas über der Oberfläche steht. Bei dieser Temperatur nimmt die Wassermasse auf der Spiegeloberfläche weder zu (bei zu k alter Oberfläche) noch ab (bei zu warmer Oberfläche), d.h. der Dampf über dem Spiegel befindet sich im dynamischen Gleichgewicht mit dem darauf befindlichen Wasserkondensat den Spiegel (Dampf ist gesättigt).
Dieser Spiegel besteht aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit (wie Silber oder Kupfer) undplattiert mit einem inerten Metall wie Iridium, Rubidium, Nickel oder Gold, um Anlaufen und Oxidation zu verhindern. Der Spiegel wird durch einen thermoelektrischen Kühler (Peltier-Effekt) bis zur Kondensatbildung gekühlt. Ein Lichtstrahl, normalerweise von einer Festkörper-Breitband-Leuchtdiode, wird auf eine Spiegeloberfläche gerichtet, und ein Fotodetektor überwacht das reflektierte Licht, dessen Fluss maximal ist, wenn keine Kondensation auf dem Spiegel vorhanden ist.
Kinderspiegel-Hygrometer-Betriebsmethode
Wenn sich Tautropfen auf der Spiegelfläche des Spiegels bilden, wird das reflektierte Licht gestreut. In diesem Fall nimmt sein in den Fotodetektor eintretender Fluss ab, was zu einer Änderung des Ausgangssignals des letzteren führt. Dies wiederum wird durch ein analoges oder digitales thermoelektrisches Kühlersteuersystem gesteuert, das eine stabile Spiegeltemperatur am Taupunkt aufrechterhält. Bei einem richtig ausgelegten System wird der Spiegel auf einer Temperatur geh alten, bei der die Kondensationsrate genau gleich der Verdunstungsrate der Tauschicht ist. Ein genaues Miniatur-Platin-Widerstandsthermometer (PRT), das im Spiegel montiert ist, misst seine Temperatur an diesem Punkt, die automatisch in einen Feuchtigkeitswert umgewandelt wird.
Das Hygrometer zur Messung der Luftfeuchtigkeit der betrachteten Bauart enthält auch eine Vakuumpumpe zum Einpumpen des analysierten Gasanteils und zusätzliche Filterelemente bei schmutzigen Bedingungen.
Vorteile der betrachteten Hygrometer
Solche Instrumente, die auf einem einfachen Funktionsprinzip basieren, mit einem großen Messbereich, hoher Genauigkeit und stabilen Messwerten, werden in Industrie und wissenschaftlicher Forschung häufig eingesetzt. Ein typisches Taupunkt-Hygrometer kann im Gegensatz zu vielen anderen Feuchtigkeitssensoren sehr stabil und praktisch verschleißfest hergestellt werden, wodurch die Notwendigkeit einer Neukalibrierung minimiert wird. Das Taupunkt-Feuchtehygrometer ist in der Lage, den Taupunkt im Temperaturbereich von 100 °C bis minimal -70 °C zu messen. In diesem Fall beträgt die Messgenauigkeit Zehntel Grad.
Viele Hygrometer der betrachteten Bauart sind mit einer Mikroprozessorsteuerung ausgestattet und in Kombination mit einem resistiven Temperatursensor in der Lage, neben oder anstelle des Taupunktes beliebige Feuchteparameter zu berechnen und auf einem externen Indikator anzuzeigen. Darüber hinaus ermöglichen diese Geräte die Übertragung von Ergebnissen mit drahtloser Technologie. Natürlich werden solche Geräte häufig als Teil verschiedener industrieller Systeme zur automatisierten Datenerfassung und Steuerung relevanter technischer Prozesse eingesetzt.
Wie viel würde so ein Hygrometer kosten? Sein Preis wird natürlich hauptsächlich durch die Menge der implementierten Funktionen bestimmt, abhängig von der Verfügbarkeit und Komplexität des elektronischen Steuerungssystems des Geräts. Ein stationäres Kondensationshygrometer, das wie ein digitales Oszilloskop aussieht, kostet also mindestens 4.000 US-Dollar. Besonders "fortgeschrittene" Modelle können mehr als 10.000 Dollar kosten. Auf dem MarktSie können auch ein voll funktionsfähiges tragbares Hygrometer finden. Der Preis liegt zwischen 1 und 2 Tausend Dollar.
Nachteile von Kondensationshygrometern
Während das betrachtete System von Hygrometern als das effizienteste im Messprozess gilt, ist sein Nachteil die unvermeidliche Verschmutzung der Teile der Messstrecke während des Betriebs.
Hygrometer, die mit Taupunktspiegeln ausgestattet sind, neigen dazu, Messungenauigkeiten zu erhöhen, da sich auf dem Spiegel lösliche und unlösliche Verunreinigungen ablagern. Unlösliche Partikel beeinträchtigen die optischen Eigenschaften des Spiegels. Eine mäßige Staubigkeit oder das Auftreten von unlöslichen Partikeln auf dem Spiegel stellt Konzentrationszentren bereit, auf denen sich Tau oder Reif bilden kann, wodurch die Reaktionszeit des Geräts verlängert wird. Lösliche Verunreinigungen beeinflussen die Höhe des Dampfdrucks von kondensierter Feuchtigkeit auf dem Spiegel, was den Taupunkt verschiebt. Moderne Messhygrometer (zumindest ihre ausgefeilteren Modelle) beinh alten "Selbsttest"-Funktionen, die es dem Gerät ermöglichen, Verschmutzungen zu erkennen und darauf zu reagieren, indem entsprechende Anpassungen an den Feuchtigkeitsberechnungsalgorithmen vorgenommen werden.
Unabhängig von diesen Fähigkeiten müssen praktisch alle fraglichen Hygrometer regelmäßig überprüft und gereinigt werden.
Wartung von Taupunktspiegel-Hygrometern
Was empfiehlt die Bedienungsanleitung dem Nutzer des Gerätes in diesem Sinne. Ein schmutzempfindliches Hygrometer muss seinregelmäßig gereinigt werden, um die Stabilität der Messergebnisse zu gewährleisten, obwohl dies die Wartungskosten erhöhen kann. Die Inspektion des Instrumentenspiegels erfolgt in der Regel mit dem eingebauten Mikroskop, die Wartung erfolgt manuell nach Öffnen des Messraums.
Wenn die Reinigung der Spiegeloberfläche mit der in der Gebrauchsanweisung vorgeschriebenen Häufigkeit durchgeführt wird, kann auf diese Weise die Genauigkeit der Messungen aufrechterh alten werden. Ein bequemer Zugang zur Spiegeloberfläche zum Reinigen wird normalerweise durch ein Scharnier zwischen den optischen Komponenten und dem Spiegel bereitgestellt. Mittlerweile findet man auf dem Markt jedes Kondenshygrometer, das der Verbraucher benötigt. Das Foto unten zeigt ein Beispiel seiner Ausführung.
Einsatz von Hygrometern in der Messtechnik
Ein richtig konstruiertes und gepflegtes Taupunktspiegel-Hygrometer liefert Feuchtigkeitsmessungen mit einer um Größenordnungen höheren Genauigkeit als andere gängige Feuchtigkeitsmesser. Seine inhärente Messgenauigkeit, insbesondere wenn es mit einem Platin-Widerstandsthermometer zur Temperaturmessung, einem Spiegel und einem Medium-Power-Mikroskop zur Spiegelkontrolle ausgestattet ist, macht es ideal für metrologische Messungen. Die Möglichkeiten, Informationen über drahtlose digitale Kommunikationskanäle zu übertragen, eröffnen weitreichende Möglichkeiten für den Einsatz solcher Hygrometer in globalen Systemen zum Sammeln und Verarbeiten meteorologischer Informationen.
Verwendung in Fabriklabors und kontaminierten Umgebungen
Dieses Luftfeuchtemessgerät ist ideal für die Absolutwertmessung im Werksklimalabor. Sie werden oft als Referenz verwendet, um die Genauigkeit anderer Instrumente zu kontrollieren, wie z.
Die Stabilität der Materialien, die bei der Konstruktion dieser Hygrometer verwendet werden, sowie die Möglichkeit, sie wiederholt zu reinigen, machen die Instrumente für eine sehr lange Lebensdauer in Umgebungen mit den meisten Verunreinigungen ohne Kalibrierungsverlust geeignet. Diese Leistungsstabilität macht sie für den Einsatz in Gasströmen geeignet, in denen hohe Verunreinigungen in Gasproben irreversibel schädlich für weniger stabile Arten von Feuchtigkeitssensoren sind. Zum Beispiel wird diese Art von Hygrometer weit verbreitet verwendet, um den Taupunkt während des Wärmehärtens der Oberflächen von Metallprodukten in einer Luftumgebung mit speziellen Verunreinigungen zu kontrollieren. In solchen Fällen ist es besonders wünschenswert, den Spiegel für die Reinigung leicht zugänglich zu machen.
Feuchtigkeitsempfindliche Produktion
Spezielle Verpackungsprozesse, die bei der Herstellung von Arzneimitteln, Folien, Beschichtungen und anderen Produkten erforderlich sind, werden häufig von Taupunktspiegel-Hygrometern überwacht. Auch in diesem Fall wird ihre Wahl von der Stabilität der Messgenauigkeit und der langen Lebensdauer beeinflusst. Da diese Prozesse außerdem tendenziell weniger empfindlich sindGerätekosten, die hohen Kosten dieser Hygrometer sind kein entscheidender Faktor bei der Wahl eines Feuchtigkeitsüberwachungsschemas.
Hochtemperaturgase und ihre Taupunkte
Diese Art von Hygrometer wird oft gewählt, um Taupunkttemperaturen über der Umgebungstemperatur zu messen. Taupunktspiegelinstrumente wurden bereits 1966 verwendet, um Wasserstoff-Brennstoffzellen von Apollo-Raketen zu überwachen, die bei 250 °C und 700 psi betrieben wurden. Mit den heutigen Kühltechnologien für thermoelektrische Spiegel lassen sich Taupunkte bis zu 100 °C (und höher, wenn man Drücke über dem atmosphärischen Druck annimmt) leicht messen. In solchen Fällen müssen alle mit der Gasprobe in Berührung kommenden Oberflächen der Messkammer des Hygrometers eine Temperatur oberhalb des höchsten zu erwartenden Taupunkts aufweisen, da sonst an diesen Oberflächen Kondensation auftritt und die Messung fehlerhaft ist.
In Hygrometern, die zur Messung des Taupunkts von Gasen mit hoher Temperatur ausgelegt sind, ist es üblich, thermostatgesteuerte elektrische Heizgeräte zu verwenden, um die Wände der Messkammer über den höchsten erwarteten Taupunkten zu h alten. Optische Festkörperkomponenten wie LEDs und Detektoren werden auf ihrer nominalen Betriebstemperatur (typischerweise 85 °C) geh alten, um eine Verschlechterung und Beschädigung des Hygrometers zu verhindern. Dies kann erreicht werden, indem diese Komponenten von der beheizten Messkammer thermisch isoliert werden.
