Spurenfeuchte | Taupunkt
Zwei Messgrößen für die Restfeuchte in technischen und medizinischen Gasen

Einführung

Die Messung von Feuchtespuren in Gasen ist für viele medizinische und technische Anwendung unverzichtbar. Die Anforderungen an Gase sowie Gasgemische werden im Zuge der fortschreitenden Entwicklungen, vor allem in den neuen Technologien, immer größer.

Im Folgenden stellen wir Ihnen die wichtigsten Verfahren vor, um die Restfeuchte in Gasen zu bestimmen und geben einen kurzen Überblick zu grundlegenden Begriffen der Feuchtemessung.

 

Feuchtespuren bzw. Spurenfeuchte oder Restfeuchte vs. Taupunkttemperatur

Geringe Mengen an Feuchte ( <1% ) werden als Spurenfeuchte, Restfeuchte bzw. Feuchtespuren bezeichnet, welche in ppm V (Teile pro Millionen), ppb V (Teile pro Milliarden) oder ppt V (Teile pro Billion) angeben werden.

Für Luft z.B. beschreibt der Taupunkt bzw. die Taupunkttemperatur einen Temperaturpunkt, der bei einer bestimmten relativen Luftfeuchtigkeit und konstantem Druck unterschritten werden muss, damit das im Gas enthaltene Wasser kondensiert. An eben diesem Punkt beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 100%, d.h. die Luft ist mit Wasserdampf gesättigt. Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen, der Taupunkt liegt also höher. In kalter Luft verhält es sich umgekehrt. Das merken wir in den warmen Sommer- und umgekehrt in den kalten Wintermonaten.

 

Umrechnung der Taupunkttemperatur Tdp [°C] in Spurenfeuchte [ppmV] bei Raumtemperatur

Der Zusammenhang zwischen Taupunkttemperatur und Spurenfeuchte in ppm V ist nicht linear, sondern von exponentieller Natur.

Das folgende Diagramm soll helfen, ein besseres Verständnis zwischen diesen Größen zu erlangen:

Bild: Verhältnis ppm zur Taupunkttemperatur Tdp [°C]

 

Übliche Messverfahren zur Bestimmung der Spurenfeuchte in Gasen

Im Folgenden werden die gängigsten und bekanntesten Messmethoden vorgestellt:


 Bild: Verschiedene Messverfahren der Restfeuchtemessung gegenübergestellt

Tunable Dioden Laser Absorption Spectroskopy - TDLAS

Die TDLAS-Methode (Absorptionsspektroskopie mittels durchstimmbarer Laserdioden) wird häufig für die Bestimmung von Schadstoffkonzentrationen eingesetzt und in den letzten Jahren vermehrt auch zur Restfeuchtebestimmung, vor allem in korrossiven Gasen. Die Wasserkonzentration des zu untersuchenden Gases wird hier aus der gemessenen Absorption des Lichtes bestimmt. Als Quelle kommt eine Laserdiode zum Einsatz. Dieses Verfahren hat Vorteile dahingehend, dass auch bei Störkomponenten zuverlässige selektive Messungen möglich sind. Das Diodenlicht geht zweimal durch die Messzelle hindurch und wird dann detektiert. Vor der sogenannten Messküvette befindet sich ein Strahlenteiler, welcher einen geringen Teil des gebündelten Lichtes in eine Referenzzelle lenkt. Hier wird die Wellenlänge stabilisiert. Diese ist damit wesentlich für die Genauigkeit der Messung. Nachteilig ist der komplexe Aufbau. Auch liegt der Anschaffungspreis relativ hoch. Es handelt sich um ein berührungsfreies Messverfahren. Wie auch unser robuster P2O5-Sensor eignet sich die Methode für Gase mit korrossiven Bestandteilen.

 

Metalloxid-Taupunktsensoren / metal oxide dew point sensors

Hier kommt am häufigsten Al2O3 (Aluminiumoxid) zum Einsatz. Aufgrund seiner Wechselwirkungen mit Wasser gilt das Oxid als sensitive Schicht und wird für Feuchtesensoren eingesetzt. Das Wasser lagert sich an der Oberfläche des Metalloxides an. Der Sensor ist zweischichtig aufgebaut. Die Basiselektrode ist aus Aluminium auf welchem die poröse Oxid-Schicht aufgebracht ist. Am ehesten könnte man den Sensor mit einem Kondensator vergleichen. Auf der Gegenelektrode wird eine wasserdampfdurchlässige Dünnschicht Gold aufgebracht. Die sensitive Schicht muss möglichst großflächig sein, um eine hohe Empfindlichkeit aufweisen zu können. Der Wasserdampf gelangt durch die Goldschicht in die Poren der sensitiven Schicht und lagert sich an. Durch die chemische Sorption erfolgt die Trennung der Wassermoleküle an der Oberfläche zu einer Hydroxylgruppe. Durch Van-der-Waals-Kräfte können nun weitere Wassermoleküle an die Hydroxylgruppen gebunden werden. Die gebundenen Wassermoleküle stehen nun in einem Gleichgewicht mit der umgebenden Luftfeuchtigkeit und beeinflussen die Kapazität und damit wiederum die Leitfähigkeit des „Kondensators“. Einen Messwert erhält man dann durch eine vergleichsweise einfache Impedanzmessung. Es besteht eine gute Korrelation zur absoluten Feuchte. Alterungseffekte der sensitiven Schicht erfordern eine regelmäßige Kalibrierung, die nicht vom Endkunden vorgenommen werden kann. Auch ist das Verfahren nicht für aggressive Gase geeignet.

 

Schwingquarzsensoren - QCM

Hier wir ein Schwingquarz mit einem Polymer beschichtet, welches feuchteempfindlich ist. An dieser Schicht lagert sich Feuchte an. Durch die veränderte Masse ändert sich die Resonanzfrequenz des Quarzes. Diese geringen Änderungen können mit hohem Aufwand registriert werden. Dies funktioniert sogar bis in den ppb-Bereich. Um das zu erreichen, muss die Temperatur sehr genau geregelt werden, da die Grundfrequenz durch die Temperatur maßgeblich beeinflusst wird. Es gibt natürlich maßgebliche Querempfindlichkeiten zu allen Verschmutzungen, die sich auf der Polymerschicht ablagern können. Eine hohe Reinheit des Mediums muss also vorausgesetzt werden. 

 

Coulometrischer Feuchtesensor / coulometric moisture sensor - AQUATRACE®

Es handelt sich um ein absolutes Messverfahren, da Phosphorpentoxid (P2O5) zu 100% selektiv auf Wasser reagiert. Es gibt keine Querempfindlichkeiten. Neben der sehr schnellen Ansprechzeit von Trocken auf Feucht, liegen wesentliche Vorteile der AQUATRACE® -Sensoren in ihrer Robustheit und in ihrer Eigenschaft, auch korrosive Bestandteile in Gasen problemlos zu tolerieren (Cl2, HCl, F2, HF). Sie neigen außerdem nicht zum Abdriften des Messwertes bei hohen Feuchteereignissen. Die Sensoren lassen sich einfach regenerieren. Die untere Nachweisgrenze der AQUATRACE®-Sensoren liegt bei 0,001 ppm V bzw. bei 1 ppb V.  

Phosphorpentoxid (P2O5) hat eine hohe Affinität Wasser zu absorbieren, um in Tetrametaphosphorsäure überzugehen. Es ist ein extrem hygroskopisches Salz. Damit eignet es sich hervorragend, einen feuchtesensitiven Sensor aufzubauen. Das Verfahren geht auf die 1956 entwickelte KEIDEL-Messzelle zurück. Im Umterschied zur KEIDEL-Messzelle ist die sensitive Schicht bei unserem AQUATRACE®-Sensor außen aufgebracht. An zwei Pt-Elektroden liegt eine Zersetzungsspannung größer 2V an, welche die Metaphosphorsäure elektrolysiert. Dabei wird  Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt und das Phosphorpentoxid steht wieder zur Absorption von Wassermolekülen zur Verfügung. Damit fungiert das P2O5 quasi als Katalysator für die Elektrolyse von Wassermolekülen. Der entstandene Wasserstoff und Sauerstoff wird durch den Gasstrom aus dem System ausgetragen. Der gemessene Zersetzungsstrom IM ist gemäß des Faraday'schen Gesetzes ein direktes Maß für die Feuchte. Der Volumenstrom muss für eine präzise Messung konstant gehalten werden.

Die Methode eignet sich nicht für die Feuchtebestimmung in NH3 (Ammoniak).

Bild: Messprinzip unserer AQUATRACE® -Sensoren

Taupunktspiegelhygrometer / chilled mirror dew point hygrometer

Die Messmethode beruht auf einem Spiegel, welcher langsam und kontrolliert abgekühlt wird, bis auf diesem Kondensat nachgewiesen werden kann. Der Wasserdampfpartialdruck am Taupunkt des strömenden Gases ist durch den Wert auf der Dampfdruckkurve gegeben. Das Messverfahren ist sehr aufwendig und zeitintensiv. Eine sorgfältige Messung setzt voraus, dass Gleichgewichtsbedingungen erreicht werden. Das kann nur dadurch erreicht werden, dass der Taupunkt approximativ mit dem Temperaturregime angefahren und mehrfach wiederholt wird.

Mit entsprechendem Aufwand ist eine Genauigkeit von +/-0,1°C erzielbar. Ein wesentlicher Vorteil zu allen anderen Messmethoden, welche hier vorgestellt worden sind ist der, dass es einen direkten Bezug zu thermodynamischen Daten gibt und diese Messmethode als Referenzmessmethode verwendet werden kann. Nachteile der Methode sind ganz klar der Zeitaufwand, sowie die Größe der Messapparatur und der Anschaffungspreis. Wir nutzen den Taupunktspiegel als Prüfwerkzeug für unsere AQUATRACE® P2O5-Sensoren.  

Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!