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Fachbeitrag
23.08.2018  |  4771x
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Wie funktioniert eine Feuchtemessung?

- die Funktion eines Feuchtesensors leicht erklärt!

Es gibt eine Vielzahl an verschiedenen Messverfahren um die Materialfeuchte, bzw. den Wassergehalt von Schüttgütern zu bestimmen. Hier wird das kapazitive Funktionsprinzip näher erläutert, das unter anderem für Online-Feuchtemessungen (Messung direkt im Produktionsprozess) eingesetzt wird.

Grundlegend wird nach direktem und indirektem Verfahren zur Feuchtemessung (Wassergehalt von Schüttgütern) unterschieden.

Direkte Messverfahren sind beispielsweise die Karl-Fischer-Titration oder das Austrocknen von Materialien, z.B. mittels Trockenschrank (Wasserverlust durch Trocknung) - was sicherlich das am häufigsten angewandte Verfahren darstellt.

Zu den indirekten Messverfahren zählen Systeme und Sensoren, die unter anderem nach dem kapazitiven Prinzip Rückschluss auf den Wassergehalt in Schüttgütern erlauben. Weiter wären hier die Feuchtemessarten per Mikrowellen, Infrarot und über den Leitwert zu nennen. Bei indirekten Feuchtemessverfahren wird nicht direkt das vorhandene Wasser im Schüttgut ermittelt, sondern es werden physikalische Eigenschaften erfasst, die sich durch die Aufnahme oder Vermischung von Wasser mit dem Trägermaterial (z.B. Sand, Kies, Salz, etc.) verändern.

Weil indirekte Messverfahren auf Änderungen physikalischer Eigenschaften aus Trägermaterial und mehr oder weniger Wasseranteil zurückgreifen, müssen Feuchtesensoren dieser Verfahren entsprechend auf das Material kalibriert werden.

Das kapazitive Feuchtemessprinzip basiert auf dem Funktionsprinzip eines Kondensators. Ein Kondensator baut bei angelegter Spannung ein elektrisches Feld zwischen zwei Kondensatorplatten auf. Als Kapazität (C) wird die Fähigkeit eines Kondensators bezeichnet, Ladung (in Abhängigkeit der Spannung) zu speichern (Einheit: Farad). Diese Kapazität wird einmal durch die Kondensatorfläche (A), dem Abstand dieser zueinander (D) und durch das Isolationsmaterial, auch Dielektrikum (ε) genannt, bestimmt.

Je nach Isolationseigenschaften des Dielektrikums resultiert eine andere relative Permittivität (εr). Dabei charakterisiert die Permittivität die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder. Andere Begriffe für Permittivität sind Dielektrizitätskonstante oder auch dielektische Funktion.

Der Abstand der Platten (D) und die Kondensatorfläche (A) sind beim kapazitiven Feuchtesensor stets konstant. Dadurch kann über die Änderung der Permittivität, Rückschluss auf dem Wasseranteil im Messmedium erfolgen.

Wie in der Abbildung zu erkennen ist, hat Wasser eine relative Permittivität (εr) von ca. 80 (bei normalen Umgebungsbedingungen). Viele Schüttgüter haben eine relative Permittivität (εr) im Bereich zwischen zwei und zehn. Die hohe Differenz ermöglicht es über das kapazitive Messprinzip eine Rückmeldung auf den Wasseranteil im Trägermaterial zu erhalten.

Vakuum: εr = 1
Messmedium: εr = 2 bis 10
Wasser: εr = 80

Das kapazitive Materialfeuchtemessverfahren ist sehr vielseitig und flexibel anwendbar. So können Wassergehalt bzw. die Produktfeuchte vieler Schüttgüter wie beispielsweise Sägespäne, Hackschnitzel, Kakaobohnen, Gips und vielen weiteren Materialien fast über den gesamten Feuchtebereich, bestimmt werden.

Auf der Frontseite eines Feuchtesensors befinden sich ein Streufeldkondensator, meist durch eine Verschleißschutzscheibe geschützt, der ein elektrisches Feld generiert. Das zu messende Material wird nun vor dem Feuchtesensor durch das elektrische Feld geführt. Hierdurch wird der Streufeldkondensator beeinflusst. Nachdem der Sensor auf das Material kalibriert wurde (die Referenzwerte werden mittels Austrocknungsverfahren bestimmt) kann per analogem Normsignal (4...20mA / 0...10V) oder ggf. auch per Profibus DP das Messsignal an eine SPS oder andere Steuerungen übertragen werden.
 

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