Die Durchführung von Feuchtemessungen in Umgebungen mit hoher relativer Feuchte (über 90 %) ist immer problematisch, da der Sättigungspunkt fast erreicht ist. Das ist etwa in Klimakammern der Fall, in denen beispielweise Arzneimittel, Kosmetika oder Lebensmittel unter möglichst realitätsnahen und anwendungsspezifischen Bedingungen getestet werden. Das Produkt wird dabei zum Beispiel unterschiedlichen Temperaturen, Bewegungen oder Drucken ausgesetzt.
Zur Kondensation und damit einhergehenden Messproblemen kann es beispielsweise in folgenden Situationen kommen:
- Wasser kann auf einer unbeheizten Sonde kondensieren, was auf Prozessbedingungen zurückzuführen ist, die sich aufgrund von Druckspitzen oder Temperaturschwankungen rasch ändern. Das kann dazu führen, dass genau dann keine gültigen Messdaten zur Verfügung stehen, wenn sie am dringendsten benötigt werden, nämlich bei einer Änderung der Bedingungen.
- Wenn die Temperatur bei Messanordnungen, bei denen sich der Sondenkopf jeweils zur Hälfte innerhalb und außerhalb der Prozessumgebung befindet, außerhalb der Prozessumgebung niedriger ist als innerhalb, kühlt sich die Sonde auch auf der Prozessseite ab. Dadurch kann es zu einer Kondensation kommen, die eine Störung der Messung zur Folge hat.
Ähnliche Probleme treten bei vielen Anwendungen mit hoher Feuchte auf. So können beispielsweise Messungen im Außenbereich durch Nebel, Sprühregen, Regen oder starken Tau gestört werden. Es ist daher entscheidend, gültige Messdaten und die maximale Sensorfunktion auch dann noch zu gewährleisten, wenn die Umgebung den Sättigungspunkt annähernd oder tatsächlich erreicht hat.
Kombisensor mit Heizelement
Um diesen Problemen gerecht zu werden, hat Vaisala Technologien für beheizte Sonden und Sensoren entwickelt, die selbst in Umgebungen mit 100 % relativer Feuchte noch zuverlässige und genaue Feuchtemessungen gewährleisten. Diese Technologie kommt in Produkten wie der intelligenten Sonde HMP7 und dem stationären Messwertgeber HMT337 zum Einsatz, die speziell für Umgebungen mit hohem Feuchtegehalt entwickelt wurden. Diese Produkte verfügen über eine Kombination aus Feuchtesensor und verbundenem Temperatursensor. Dank des Kombisensors sind relative Feuchte und Temperatur des Sensors jederzeit bekannt. Die Feuchtesonde mit dem Kombisensor ist mit einem Heizelement ausgestattet. Durch das Beheizen wird nicht nur der Sensor, sondern die gesamte Sonde (einschließlich Filter) auf einer Temperatur gehalten, die einige Grad über der Umgebungstemperatur liegt. Hierdurch wird sichergestellt, dass auf dem Sensor kein Wasser kondensiert. Dies gilt selbst dann noch, wenn die Messumgebung bereits die Taupunkttemperatur (100 % relative Feuchte) erreicht hat. Die Taupunkttemperatur des Kombisensors kann anhand der gemessenen Werte für relative Feuchte und Temperatur berechnet und direkt als Messgröße verwendet werden.
Für die Messung der relativen Feuchte oder eines anderen Feuchteparameters muss der Messwertgeber HMT337 mit einer separaten Temperatursonde ausgestattet werden, die in derselben Messumgebung wie die Feuchtesonde installiert wird. Dies ist erforderlich, weil die relative Feuchte ein temperaturabhängiger Parameter ist und eine Sondenbeheizung die Messung der relativen Feuchte stören würde. Mithilfe des Taupunkt- und des Temperaturwerts kann die relative Feuchte über die zusätzliche Temperatursonde berechnet werden.
Technologie für die Vorheizung
Die Sensorvorheizung ist eine weitere Heizfunktion, die in bestimmten Produkten von Vaisala zur Feuchtemessung verfügbar ist. Mit der Kombination aus Sensorvorheizung und beheizter Sonde lässt sich ein hoher Schutz vor Kondensation erreichen. Man kann die Sensorvorheizung als Schutzmechanismus gegen schnell steigende Feuchtewerte betrachten, durch die der Sensor betaut werden könnte. Sie beschleunigt aber auch die Wiederherstellung nach einer Kondensation. Die Sensorvorheizung heizt den Sensor standardmäßig in etwa 30 s auf 100 °C auf, wobei sowohl die Heiztemperatur als auch die Dauer der Beheizung definiert werden können. Anders als bei einer beheizten Sonde wird die Beheizung durch direktes Erwärmen des in den Feuchtesensor eingebauten Temperatursensors erreicht. Obwohl das deutlich schneller geht als die Beheizung der gesamten Sonde, muss die Messung für die Dauer der Erwärmung und der anschließenden Abkühlung des Sensors auf seine Betriebstemperatur unterbrochen werden. Dieser Vorgang dauert üblicherweise etwa 1 bis 2 min. Während dieser Zeit wird in der Ausgabe und auf dem Display des Messgeräts die letzte gültige Messung beibehalten. Die Sensorvorheizung kann so konfiguriert werden, dass sie ab einem bestimmten Feuchtewert automatisch aktiviert wird.
Sensor mit Reinigungsfunktion
Zusätzlich zur beheizten Sonde und zur Sensorvorheizung ist in bestimmten Produkten zur Feuchtemessung von Vaisala eine dritte Methode verfügbar. Die Sensorreinigung unterstützt die Korrektur einer möglichen langfristigen Drift und verlängert das erforderliche Kalibrierintervall in Umgebungen, in denen gasförmige chemische Verunreinigungen vorkommen und in den Sensor eindringen können. Beispiele sind Lösemittel auf Kohlenwasserstoffbasis, Reinigungschemikalien und Sterilisationsmittel. Der Sensor wird zur Reinigung rasch auf bis zu 160 bis 180 °C erwärmt, wobei das Temperaturelement des Sensors als Heizelement verwendet wird. Die störenden chemischen Substanzen verdampfen.
Der chemische Reinigungszyklus dauert etwa 6 min und besteht aus einer Aufheiz- sowie einer Stabilisierungsphase. Sobald sich die Sensortemperatur wieder auf das Niveau vor der Reinigung stabilisiert hat, kann der Sensor in den normalen Messbetrieb übergehen. Die Messwerte des Feuchtemessgeräts sind während der Sensorreinigung sozusagen eingefroren.
Vaisala GmbH, Bonn
Autor: Joni Partanen
Produktingenieur,
Vaisala
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