Taupunktspiegelhygrometer


Taupunktspiegelhygrometer

Das Taupunktspiegelhygrometer ist ein messtechnisches Gerät (Hygrometer) zur Bestimmung des Taupunkts von Wasser in Luft oder anderen Prozessgasen. Als (H2O)-Taupunkt oder Taupunkttemperatur bezeichnet man die Temperatur, bei der sich auf einem Gegenstand (bei vorhandener Feuchte) ein Gleichgewichtszustand von kondensierendem und verdunstendem Wasser einstellt, in anderen Worten die Kondensatbildung gerade einsetzt. Das Taupunktspiegelhygrometer arbeitet nach dem fundamentalen direkten Messprinzip und verwendet zur Messung des Taupunktes einen temperierbaren Spiegel. Bei der Messung wird die Reflektivität des Spiegels gemessen, die sich verringert, wenn der Taupunkt erreicht wird und der Spiegel beschlägt.

Messvorgang

Zur Messung wird das Taupunktspiegelhygrometer in den zu überwachenden Prozess eingebracht. Dann muss abgewartet werden, bis sich die Messkammer des Hygrometers akklimatisiert hat, bzw. gut von Prozessgas durchflutet ist. Falls notwendig, wird der Spiegel zunächst solange erwärmt, bis er kondensatfrei und damit nicht mehr beschlagen ist. Anschließend wird der Spiegel langsam so lange wieder abgekühlt, bis die Messoptik Kondensat detektiert. Das Messergebnis ist die gemessene Spiegeltemperatur.

Geringe Feuchtegehalte und damit niedrige Taupunkttemperaturen erfordern längere Messzeiten, daher kann im Bereich Spurenfeuchte (z. B. bei −85 °C Taupunkttemperatur) eine Messung länger als eine Stunde in Anspruch nehmen. Bei hohen Taupunkttemperaturen hingegen (z. B. bei +20 °C Taupunkttemperatur) dauert eine Messung nur wenige Sekunden. Die langen Messzeiten bei Spurenfeuchte liegen nicht etwa daran, dass man lange braucht, um tiefe Temperaturen zu erlangen, sondern daran, dass im Bereich Spurenfeuchte sehr wenig Wassermoleküle im Prozessgas enthalten sind. Daher muss man warten und genügend Prozessgas am Spiegel vorbeistreichen lassen, damit sich genügend Moleküle ablagern können, um als Kondensat sichtbar zu werden.

Ausnahmen

Kohlenwasserstoff-Taupunkt

In der Praxis ist der Taupunkt von Wasser der wohl am häufigsten gemessene Taupunkt. Allerdings haben auch Kohlenwasserstoffe z. B. Lösemittel einen sogenannten Kohlenwasserstoff-Taupunkt der, je nach Prozess, bedeutsam ist und nachgewiesen werden muss.

Ein unmodifiziertes Taupunktspiegelhygrometer ist allerdings nicht zum Messen von Kohlenwasserstoff-Taupunkten geeignet. Das Kondensat der Kohlenwasserstoffe verändert die Spiegeleigenschaften in zu geringem Maße. Daher misst man bei Kohlenwasserstoff-Taupunkt-Sensoren das sich durch die Kondensatbildung verringernde Streulicht von angerauhten Oberflächen.

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.[1]

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 Schenkel des U-Rohres sind an den Enden zu Kugeln ausgebildet.

Taupunkthygrometer nach Daniell
Taupunkthygrometer nach Daniell[2]

Die linke Kugel A ist zum Teil mit Diethylether 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 Ätherdampfes. 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.[3]

H.V.Regnault

Taupunktkappen nach Regnault

Henri Victor Regnault, ein deutsch-französischer Physiker und Chemiker (* 21. Juli 1810 in Aix-la-Chapelle (der französische Name für Aachen), † 19. Januar 1878 in Auteuil (Frankreich)) 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[4]

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.[5]

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.

Taupunkthygrometer nach Lambrecht

Aufbau und Funktion

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

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.[6]

Automatisch arbeitende Taupunktspiegel nach Harold E. Edgerton

Harold Eugene Edgerton (* 6. April 1903 in Fremont, Nebraska, USA; † 4. Januar 1990 in Cambridge, Massachusetts, USA), (auch: Harold E. „Doc“ Edgerton) war ein amerikanischer Elektroingenieur, Erfinder des elektrischen Stroboskops und Pionier der Hochgeschwindigkeitsfotografie. Der Öffentlichkeit bekannt ist er vor allem durch spektakuläre Aufnahmen von abgefeuerten Projektilen, Flüssigkeitstropfen und Atombomben.

1965 gelang es Harold E. Edgerton erstmals einen automatisch arbeitenden gekühlten Taupunktspiegel zu bauen.

Aufbau und Funktion

Automatisch arbeitender Taupunktspiegel mit Optik, Peltierstromregelung und Temperaturmessung mit PT100

Automatische Taupunktspiegel bestehen aus einer verspiegelten Oberfläche, welche in der Regel mittels Peltier-Element auf Kondensationstemperatur gebracht wird. Bei Erreichen der Taupunkttemperatur kondensiert das Wasser auf dem Spiegel, dadurch verringert sich das Reflexionsvermögen des Spiegels. Dieser Vorgang wird mit einer Optik automatisch detektiert und die aktuelle Temperatur bestimmt.

Ein wesentliches Element automatisch arbeitender Taupunktspiegel-Instrumente ist das Heiz- und Kühlelement. Hierfür werden üblicherweise Peltier-Elemente verwendet, die auf eine Erfindung des französischen Physiker Jean Peltier aus dem Jahre 1834 zurückgehen. Er erkannte, dass eine mit elektrischem Strom durchflossene Lötstelle zweier verschiedenartiger Metalle sich je nach Stromrichtung erwärmt oder abkühlt. Dadurch kann 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 Peltier-Elementen einen deutlicher Entwicklungsschub und führte in den 60er-Jahren zum technischen Einsatz von Peltier-Elementen in der Heiz- und Kühltechnik.

Das Problem zur automatischen Detektion der Betauungsbeobachtung bestand über lange Zeit weiter und wurde erst durch Harold E. Edgerton gelöst.

Im Jahre 1965 gelang es Edgerton (Begründer der Firma EG & G 1947) durch die Entwicklung einer elektro-optischen Abtastung, kombiniert mit einer automatischen Temperaturmessung 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 automatisierten Messen der Taupunkttemperatur in offenen Systemen getan.

Seit den 1970er Jahren werden Taupunktspiegel zum automatisierten Messen der Taupunkttemperatur in offenen Systemen eingesetzt.

Taupunktspiegel heute

Taupunktspiegel ComAir von EdgeTech (Nachfolger von EG & G)[7]

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 Leuchtdiode beleuchtet und das reflektierte Licht mittels einer Photodiode 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 Photodioden 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 –100 °C[8] bis 100 °C mit einer minimalen Messunsicherheit von +/-0,1 K einsetzbar. Sie unterliegen weder einer Drift noch einer Hysterese.

Jedoch sind Taupunktspiegel gegen feste und flüssige Teilchen im Messgas empfindlich, da Partikel jeglicher Art sowohl den Messlichtstrahl streuen als auch das Reflexionsvermögen des Spiegels stören können. Ob der Streupartikel kondensiertes Wasser oder Schmutz ist, kann das Messverfahren nicht unterscheiden.

Taupunktspiegel können anstelle oder zusätzlich zur Peltierkühlung eine cryostatische Kühlung mit flüssigen Stickstoff besitzen. Solche Messaufbauten können 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.

Einzelnachweise

  1. Dr. Ing. Bernhard Prümm: Kondensationsmessverfahren. auf: pruemmfeuchte.de
  2. Taupunkthygrometer nach Daniell. auf der Webseite Freunde alter Wetterinstrumente
  3. Josef Reiner: Die meteorologischen Instrumente. Rudolf A. Lang Verlag, Pössneck, 1949.
  4. Messvorrichtung nach Regnault. auf der Webseite der Freunde alter Wetterinstrumente
  5. F. Kohlrausch: Praktische Physik. Band 1, B.G. Teubner Verlag, Stuttgart 1986.
  6. H. Gobrecht: Bergmann Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 1, de Gruyter Verlag, Berlin 1974, ISBN 3-11-004366-1.
  7. EdgeTech, Marlborough, MA 01752, USA. Repräsentant: [1] PRÜMM Feuchtemesstechnik, Viersen
  8. Taupunktspiegel für extreme Spurenfeuchtemessung S4000 TRS

Literatur

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