Elektrische Verfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte

Autoren: Hans-Jürgen Schwarz, NN

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Einleitung

Bei den elektrischen Verfahren macht man sich die Abhängigkeit elektrischer Eigenschaften von der Feuchte zu nutze. Kapillar-poröse hygroskopische Stoffe stellen mehrphasige heterogene Systeme dar, wobei die einzelnen Phasen unterschiedliche physikalische und auch chemische Eigenschaften aufweisen. Die Problematik der elektrischen Feuchtemessung besteht grundsätzlich darin, dass Bauteile nicht einfach eine Mischung von trockenem Stoff, Luft und Wasser darstellen, sondern dass die verschiedenen Phasen der Bindung des Wassers an den Stoff und deren Abhängigkeit von zahlreichen Parametern wie z.B. der Temperatur zu berücksichtigen sind. Größere Hohlräume und jegliche Art von Metallteilen (z.B. elektrische Leitungen aber auch Schlacken mit Metallresten im Baustoff) können zu hohen Messfehlern führen.

Elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit eines trockenen nicht metallischen Stoffes ist sehr niedrig. Das von üblichen Bauteilen durch Sorption aufgenommene Wasser ermöglicht jedoch den Transport von Ionen dissoziierter Moleküle, sodass die Leitfähigkeit mit zunehmender Materialfeuchte rasch ansteigt. Somit kann die Messung der Leitfähigkeit eines Stoffes zur Feuchtebestimmung herangezogen werden. Allerdings hängt die Leitfähigkeit eines Stoffes erheblich auch von der Ionenkonzentration ab, d.h. bei Stoffen mit erhöhten Anteilen an salzbildenden Ionen wird nicht allein die Feuchte gemessen, sondern man erhält einen Wert, der sich aus der Leitfä¬higkeit des Wassers und der Leitfähigkeit aufgrund des Ionengehaltes zusammensetzt.

Da der Salzgehalt eines Bauteils starken Schwankungen unterliegt, kann man keinesfalls aufgrund einer Leitfähigkeitsmessung an einem Bauteil quantitative Aussagen über dessen Feuchtezustand machen. Eine Ausnahme stellt in diesem Zusammenhang das Baumaterial Holz dar, dessen Leitfähigkeit nur geringen Schwankungen unterworfen ist, sodass sich das Leitfähigkeitsverfahren gut anwenden lässt. Allerdings ist zu beachten, dass die Leitfähigkeit temperaturabhängig ist.

Für bestimmte Aufgaben gibt es fest zu installierende Elektroden oder Elektrodenkombinationen, die den Salzgehalt berücksichtigen bzw. unabhängig davon arbeiten.

Kapazität

Kondensatoren leiten Gleichstrom nicht weiter, bilden aber für Wechselstrom einen Widerstand, dessen Größe von der Kapazität abhängt. So lässt sich mit einem geeigneten Wechselstrom die Kapazität des Kondensators und damit die Dielektrizitätskonstante des Kondensatordielektrikums messen. Meist wird sehr hochfrequenter Wechselstrom zur Messung benutzt, dessen Frequenz im Bereich der Radiofrequenzen liegt.

$C=\epsilon \cdot {\frac {A}{S}}$

mit ε = ε₀ ⋅ ε_{r ,} ε₀ = 8.85 ⋅ 10^-12 As/Vm

C	= Kapazität
ε	= Dielektrizitätskonstante
A	= Fläche der Kondensatorplatte
ε0	= elektr. Feldkonstante

(materialunabhängig)

s	= Abstand der Platten zueinander
εr	= Dielektrizitätszahl (materialspezifisch)

Die Dielektrizitätskonstante hat bei Radiofrequenzen (bis zu einigen Hundert MHz) für Wasser den Wert von ca. 80, für übliche trockene Baumaterialien einen Wert zwischen 2 und 6, sodass im Bauteil enthaltenes Wasser wesentlich die resultierende Dielektrizitätskonstante beeinflusst. Diese steht in proportionalem Verhältnis zum Feuchtegehalt des Baustoffs.

Kapazitive Feuchtigkeitsmesser für die Anwendung im Bauwesen bestehen meist aus einem Streufeldkondensator, dessen Platten eben an der Bauteiloberfläche oder innerhalb des Bauteils angeordnet sind oder dessen Platten zylindrisch geformt sind und über eine Bohrung in das Bauteil eingebracht werden. Die zahlreichen Fehlermöglichkeiten (Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten, Dichteabhängigkeit der dielektrischen Eigenschaften, Einfluss des Ionengehaltes, Ankopplung der Elektronen) schränken die Anwendbarkeit dieses Verfahrens erheblich ein.

Mikrowelle

Wassermoleküle stellen elektrische Dipole dar, die in ihrer Ausrichtung einem angelegten Wechselfeld zu folgen versuchen. Von einem gewissen Frequenzbereich an, der im Bereich der Mikrowellen liegt, können die Moleküle dem Wechselfeld nicht mehr schnell genug folgen, und es tritt eine Debye-Relaxation auf, die zum einen mit einer Abnahme der Dielekrizitätskonstanten (DK = Realteil ε’ der komplexen relativen DK), zum anderen mit einem hohen dielektrischen Verlust ( = Imaginärteil ε’’ der komplexen relativen DK) verbunden ist. Da für übliche trockene Baumaterialien die DK sehr klein ist und die dielektrischen Verluste praktisch vernachlässigbar sind, werden sowohl die DK als auch die dielektrischen Verluste eines kapillar-porösen Baustoffes wesentlich von dessen Wassergehalt bestimmt. Allerdings lassen sich die wesentlichen Nachteile der Leitfähigkeitsmethode und der Kapazitätsmethode vermeiden. Durch geeignete Wahl der Messfrequenz, nämlich zwischen 8.5 - 12.3 GHz wird erreicht, dass zum einen insbesondere Wasser mit geringer Bindungsenergie erfasst wird (die Relaxationsfrequenz ist abhängig von der Bindungsenergie des Wassers), zum anderen der Einfluss der Ionenleitfähigkeit praktisch vernachlässigbar wird.

Die bestehende Temperaturabhängigkeit der Relaxation kann softwareseitig kompensiert werden. Auch ist die Kompensation des Materialdichteeinflusses grundsätzlich möglich.

Da Mikrowellenmessungen kontaktfrei erfolgen, treten auch keine Probleme mit der Ankopplung an das Messobjekt auf. Allerdings ist der Einfluss der Kornabmessungen der Baustoffe sowie der Inhomogenitäten wie z.B. Hohlräumen in den Bauteilen noch nicht in ausreichendem Maße geklärt. Die heutige Technik im Bereich Mikrowellen, elektronische Datenverarbeitung und Signalverarbeitung weist jedoch die Möglichkeit für die Weiterentwicklung eines nach der Mikrowellenmethode arbeitenden Feuchtemessers auf.

Moleküle sind Teilchen, die aus mindestens zwei Atomen aufgebaut sind. Ein Molekül ist nach außen elektrisch neutral.

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 Permittivität, gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an.