Kapazitives Messverfahren

Autor: Hans-Jürgen Schwarz

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Abstract

Das Messprinzip des kapizitiven Feuchtesensors basiert auf Änderungen der Kapazität eines dünnen Polymerfilms bei Aufnahme bzw. Abgabe von Wassermolekülen.

Abbildung 1': Schematischer Aufbau eines kapazitiven Feuchtefühlers: Fa. Jumo Gmbh&Co. KG

Der Sensor besteht

• aus einem Glassubstrat als Träger
• den unteren Elektroden
• dem Polymerfilm
• und der wasserdampfdurchlässigen oberen Elektrode.

Die in der Umgebungsluft enthaltene Feuchtigkeitsmenge durchdringt als Wasserdampf die obere Elektrode des Feuchtesensors und erreicht den aktiven Polymerfilm (z.B. Celluloseacetat oder Polyamid). Die in dem Film aufgenommene Wasserdampfmenge verändert die elektrischen Eigenschaften des Feuchtesensors derart, dass sich die Kapazität ändert. Die Kapazitätsänderung ist proportional zur Änderung der relativen Feuchte und wird durch eine nachgeschaltete Elektronik ausgewertet und in ein normiertes Ausgangssignal umgeformt.

Kombifühler zu Messung der Lufttemoperatur (oben) und der relativen Luftfeuchte mit einem kapazitiven Feuchtesensor(unten), Foto: Hans-Jürgen Schwarz

Durch den speziellen Aufbau und die geringe Eigenmasse der kapazitiven Feuchtesensoren werden sehr schnelle Ansprechzeiten erreicht. Weiterhin sind sie weitgehend unempfindlich gegen leichte Verschmutzungen und Staub. Als Schutz vor Berührungen der Oberfläche sind die Sensoren meist in einem Kunststoffgehäuse eingefasst. Für Anwendungen im Hochfeuchtebereich sind betauungssichere Ausführungen erhältlich.

Kapazitive Messverfahren finden Anwendung, wenn keine hohe Konzentrationen von korrosiven Gasen oder Lösungen auftreten.

Der Standardmessbereich für kapazitive Feuchtesensoren beträgt überwiegend 10 - 90% RH. Bei hochwertigen Ausführungen sind Messungen im Bereich zwischen 0 und 100% RH möglich.

Einer der Hauptvorteile des kapazitiven Messverfahrens ist der realisierbare Temperaturbereich, in dem die Feuchtemessungen durchgeführt werden können. So erlauben z. B. moderne Feuchtegeber für industrielle Anwendungen Messungen zwischen -40 bis 180 ºC, wobei die Temperatur gleichzeitig erfasst wird und ebenfalls als normiertes Ausgangssignal zur Verfügung steht.

Bedingt durch die rein elektrische Messung bietet das kapazitive Messverfahren einen weiteren Vorteil. So können z. B. hochwertige und mit modernster Mikroprozessortechnik ausgestattete Feuchtegeber mit einer Vielfalt möglicher Optionen und Funktionen versehen werden. Da unterschiedlich auftretende Gasdrücke und Luftgeschwindigkeiten kaum einen Einfluss auf den kapazitiven Feuchtesensor ausüben, sind Geräteausführungen erhältlich, die Messungen in druckbelasteten Systemen zwischen 0-100 bar erlauben.

Die Messgenauigkeit liegt je nach Gerätetyp zwischen ± 2 und ± 5% RH. Unter bestimmten Voraussetzungen können sogar Messgenauigkeiten von ± 1% RH erreicht werden.

Vorteile:

• preiswerte, schnelle und präzise Messung
• Großer Messbereich (0 .. 100 %RH, -4 .. +180 ºC
• Langzeitstabil
• Kleine, tragbare Messgeräte
• Luftdruckunabhängig
• Messung ohne Wartung auch bei Minustemperaturen möglich

Nachteile:

• Begrenzte Langzeitstabilität
• Empfindlich gegenüber Betauung und bestimmten aggressiven Medien

Unter der Kapazität eines beliebigen Körpers (Kondensators) versteht man das Verhältnis der zugeführten Ladung Q zur entstandenen Spannung U. C=Q/U [Farad = F]. Die Kapazität eines Kondensators hängt von der Größe der Kondensatorplatten, ihrem Abstand und dem Material zwischen den Platten (Dielektrikum) ab.

relative humidity /relative Luftfeuchte