Prümm Feuchtemesstechnik & Prümm Unternehmensberatung

Kapazitive Verfahren

Kapazitive Sensoren nutzen zur Messung der Gasfeuchte eine Änderung der Kapazität eines feuchteempfindlichen Kondensators. Grundsätzlich wird dabei das große Dipolmoment von Wasser als Änderung der Kapazität des Bauelements bei der Wasserabsorption genutzt. Diese Kapazität kann mittels entsprechender Schaltungen (meist Impedanzmessungen im Kiloherzbereich) direkt ausgewertet und daraus die Gasfeuchte ermittelt werden. Je nach Ausführungsform ist die Kapazitätsänderung entweder direkt proportional der relativen Feuchte U_w (Polymersensoren) oder die Kapazitätsänderung ist ein Maß für den absoluten Wassergehalt des Gases (Metalloxidsensoren).

Metalloxidsensoren

Metalloxide werden aufgrund ihrer Wechselwirkung zu Wasser als sensitive Schichten in Feuchte- sensoren eingesetzt, wobei sich das Wasser an den Oberflächen der Metalloxide anlagert. Die Anzahl der durch Adsorption gebundenen Wassermoleküle steht dabei im Gleichgewicht mit der umgebenden Luftfeuchte und beeinflusst die relative Permittivität sowie bei diesem Sensortyp verstärkt auch die elektrische Leitfähigkeit der sensitiven Schicht. Der Metalloxid-Sensor kann mittels Impedanzmessung einfach ausgewertet werden, wobei eine gute Korrelation zu absoluten Feuchte-Kenngrößen besteht.

Um möglichst große Empfindlichkeiten zu erhalten, muss die sensitive Schicht des Sensors eine möglichst große Oberfläche aufweisen. Material mit offenen Poren kommt dieser Forderung nach. Weit verbreitet sind Sensoren mit sensitiver Al₂O₃ -Schicht. Die poröse Oberfläche wird durch anodische Oxidation von Aluminium hergestellt, wobei der Aluminiumträger auch als erste Sensorelektrode genutzt wird. Über die Oxidschicht wird eine dünne und wasserdampfdurchlässige Metall-Elektrode gelegt. Dies kann z. B. durch das Aufdampfen einer Goldschicht geschehen.

Prinzipieller Aufbau eines kapazitiven Al₂O₃-Sensors

• Gegenelektrode
• Poröse Oxidschicht
• Basiselektrode und Träger

Metalloxid-Sensoren können in sehr kompakter Form hergestellt werden. Weit verbreitet sind planare oder zylindrische Bauformen mit Abmessungen von wenigen Millimetern. Die Sensoren werden zusammen mit einem Transmitter mit integrierter Auswerte-Elektronik angeboten.

Metalloxid-Sensoren können bei Raumtemperatur für Taupunkttemperaturbereiche von unter -100 °C bis +60 °C - in Einzelfällen auch darüber hinaus - eingesetzt werden.
Die zulässigen Betriebstemperaturen für Al₂O₃-Sensoren liegen zwischen -40°C und +70°C.
Bei Temperaturen größer 70°C wird die sensitive Schicht eines Al₂O₃-Sensors irreversibel geschädigt.

Die Hersteller von Messsystemen mit Al₂O₃-Sensoren empfehlen in der Regel eine jährliche Kalibrierung und Justage der Messsysteme. Die poröse Oberfläche der Sensoren kann durch Einlagerung kleiner Moleküle verschmutzt werden, wo hingegen große Moleküle nicht eindringen können.

Metalloxid-Sensoren werden meist in stationären Messsystemen zur kontinuierlichen Überwachung von Feuchtewerten eingesetzt. Sie eignen sich aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit vor allem für den Bereich niedriger Feuchten und werden deshalb z.B. zur Messung der Feuchte in Reinstgasen oder Druckluftanlagen mit entsprechenden Trocknern, in Gloveboxen und Glühöfen eingesetzt. Es gibt auch Transmitter mit einer Konformitätsbescheinigung für explosionsgefährdete Umgebungen.

Polymersensoren

Wie der Name ausdrückt sind Polymer- oder auch Dünnschichtsensoren genannt, Kunststoffsensoren. Organische Stoffe und einige Kunststoffe reagieren nicht nur auf den Wassergehalt des Gases in der Umgebung dieser Stoffe, sondern auf die Kombination von Wassergehalt und Temperatur. Die physikalische Größe, die diese Abhängigkeit ausdrückt ist die relative Feuchte. Mit Polymersensoren wird somit die relative Feuchte gemessen. Sie werden in der Regel im Bereich der Klimatisierung oder bei der Überwachung und Regelung von Prozessen verwendet, bei denen die Kombination von Wassergehalt und Temperatur von Bedeutung ist.

Die Polymersensoren sind als kapazitive Sensoren wie ein Plattenkondensator aufgebaut. Das Dielektrikum des Kondensators ist die Polymerschicht. Typische Kapazitäten liegen in der Größenordnung von einigen hundert Pico Farad. Die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums ist von der relativen Feuchte abhängig. Damit wird die Kapazität des Kondensators ebenfalls von der relativen Feuchte des ihn umgebenden Gases abhängig.

Das Polymer wird als Dielektrikum zwischen einer Metallelektrode und einem leitend beschichteten Glassubtrat als Träger plaziert. Um einen optimalen Luftaustausch zwischen der Polymerschicht und der Umgebung zu gewährleisten, wird die Metallelektrode porös ausgeführt. Die Schichtdicke des Polymers liegt zwischen 0,1 und 1 Mikrometer.

Kapazitive Sensoren bieten unbestreitbar viele Vorteile, von denen an erster Stelle die kleine Bauform( 5x5 mm2 ), hohe Empfindlichkeit und Auflösung, sowie ihr verhältnismäßig niedriger Preis und schnelles Ansprechverhalten ( t90 bei 3 bis 15 sec ) stehen. In den letzten Jahren wurde die chemische Resistenz verbessert und die Hysterese, begründet durch die unterschiedlichen Absorptions- und Desorptionskennlinie, verringert. Ebenfalls konnte die Drift, die dadurch gegeben ist, daß physikalisch-chemische Prozesse nicht vollständig reversibel sind, verkleinert werden.

PRÜMM Feuchtemesstechnik bietet Transmitter, Handmessgeräte und Sensoren zur Messung der relativen Feuchte an, wobei der Messbereich zwischen 0% und 100% r.F. liegen kann. Die Betriebstemperatur kann bei einigen Transmittern zwischen -40°C und 180°C liegen. Druckfeste Transmitter bis 15 bar und solche mit Ex-Zertifikat sind ebenfalls im Angebot. Für Industrie, HKL und OEM kann das richtige Messinstrument aus den Baureihen der Hersteller E + E und Delta Ohm geliefert werden.