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Allgemeine Anforderungen an Sensoren zur präzisen Materialfeuchtemessung (Teil 1)

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07.05.2010 Kapazitive, Mikrowellen- und TDR-Materialfeuchtesensoren müssen in der Anwendung vielseitigen Anforderungen genügen. Der Fachmann steht immer wieder vor der Frage, ob und wie seine Ansprüche erfüllt werden können. Die folgenden Ausführungen beschreiben die Vor- und Nachteile dielektrischer Messprinzipien und wie Materialfeuchtesensoren überprüft werden können.

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Entscheider-Facts Für Anwender


  • Die generellen Anforderungen an dielektrische Materialfeuchtesensoren sind hoch.
  • In Zeiten, in denen Qualität und Zuverlässigkeit eine immer wichtigere Rolle einnehmen, können neue Messtechnologien wie die TDR-Methode einen Beitrag zu mehr Kundenzufriedenheit leisten.
  • Anwender sollten sich über die Grenzen der einzelnen Verfahren im Klaren sein.
  • Die im Beitrag beschriebenen Tests können Anwendern von Materialfeuchtesensoren zur Beurteilung der Qualität eines Sensors hilfreich sein, um mögliche Fehlmessungen und mögliche Enttäuschungen im Vorfeld erkennen zu können.

Das dielektrische Messprinzip zur Materialfeuchtemessung hat sich für die meisten Anwendungen in der Industrie durchgesetzt. Gemessen wird hierbei die Dielektrizitätskontante (DK) eines Materials über ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld, das das zu vermessende Material durchdringt. Die DK von Wasser hat bei 20°C einen Wert von 80 und unterscheidet sich damit von der DK von Feststoffen, die je nach Material DK-Werte von 3 bis 30 aufweisen. Bei diesem starken dielektrischen Kontrast kann die DK somit als Maß für den Wassergehalt bzw. die Materialfeuchte herangezogen werden.

Drei dielektrische Messprinzipien

Beim kapazitiven Messprinzip misst man mit einem Platten- oder Stabkondensator mit einem hochfrequenten Messsignal über das entsprechende elektromagnetische Hochfrequenzfeld die Dielektrizitätskonstante bzw. die Kapazität des zu vermessenden Materials.

Beim Mikrowellen-Messprinzip werden die Unterschiede zwischen ausgesandten und empfangenen Wellen gemessen, die durch Dämpfen der Amplitude und Phasenverschiebung verursacht werden. Die Veränderungen von Amplitude und Phase ergeben sich durch die Reflexion, die Brechung und die Streuung der hochfrequenten Wellen an den Grenzschichten des Dielektrikums und durch Absorption im Inneren des Untersuchungsmaterials.
Das TDR-Messprinzip (Time-Domain-Reflectometry, auch Kabelradar genannt) hat sich in den letzten zehn Jahren als präzises Messverfahren für anspruchsvolle Anwendungen in der Industrie immer mehr durchgesetzt. Bei der TDR-Technologie kommen zwei- oder dreiadrige, parallele Wellenleiter – als eigentlicher Sensor – zum Einsatz, die in Form von Stäben oder Platten in das zu untersuchende Material eingebracht werden. Es wird ein Spannungssprung angelegt, der sich entlang eines Koaxialkabels ausbreitet, das an die Wellenleiter angeschlossen ist. Geht der Spannungssprung an den Sensor über, kommt es zu einer Teilreflexion. Der weiterlaufende Teil wird am Sensorende vollständig reflektiert. Die Sprungantwort eines Wellenleiters lässt sich über den Zeitbereich messen, wobei die Reflexionszeit das Maß für den Wassergehalt ist.
Die Herausforderung bei der TDR-Messung liegt in der sehr kurzen Laufzeit der elektromagnetischen Welle auf dem Sensor, so dass für die Messung sehr kurzzeitige und steilflankige Impulse (Anstiegszeit <300Picosekunden (ps) = 10–12s) nötig sind.
Bei einer 15cm langen TDR-Meßsonde (l = 15cm) mit einer Laufzeit in Luft tl mit einer DK von 1 und einer Laufzeit in Wasser tw mit DK = 81 ergibt sich eine Laufzeitdifferenz von nur 8ns zwischen den beiden Extremen 0 und 100% Feuchte. Um diese kleine Zeitdifferenz messtechnisch präzise erfassen zu können, sind elektronische Messvorrichtungen notwendig, die diesen Zeitbereich mit einer Genauigkeit von ±2×10–12s (±2ps) auflösen können – eine Aufgabenstellung, die für industrielle Materialfeuchtesensoren vom Trime-Meßverfahren erfüllt werden kann.

Anforderungen an dielektrischeMaterialfeuchtesensoren

Zur präzisen Ermittlung der Feuchte müssen Materialfeuchtesensoren, die nach dem dielektrischen Messprinzip arbeiten, verschiedene grundsätzliche Anforderungen erfüllen:

präzise Messung des Realteils der DK bei unterschiedlichen Bedingungen;
präzise Messung der Feuchte bei hohen Materialleitfähigkeiten;
Berücksichtigen der Temperaturabhängigkeit der DK von Wasser;
Langzeitstabilität des Sensors;
Unempfindlichkeit gegenüber dispersiven Materialien;
präzise Messung bei sehr hohen Feuchten;
präzise Messung bei sehr geringen Feuchten und niedrigen Materialdichten bis zu 100kg/m3 sowie der Temperaturstabilität der Sensorelektronik.

Für den Fachmann muss die Beurteilung der Qualität eines Materialfeuchtesensors bezüglich der genannten Anforderungen mit relativ einfachen Testmethoden überprüfbar sein:

Test zur Beurteilung der Messgenauigkeit des Realanteils bei unterschiedlichen Mineraliengehalten, des maximalen Leitfähigkeitsbereiches, der Temperaturabhängigkeit der DK, der Langzeitstabilität bei Abrasion der Sensoroberfläche sowie der Temperaturstabilität der Sensorelektronik;
Test in dispersiven Materialien;
Test in sehr feuchten Materialien.
Präzise Messung des Realteils der DK bei unterschiedlichen Bedingungen

Die präzise Messung des Realteils der DK bei unterschiedlichen Bedingungen stellt die höchste Priorität dar, da alle weiteren Feuchtewert-Berechnungen, Messwertkompensationen etc. vom Realteil der DK abhängen. Nur der Realteil der DK gibt folglich eine Aussage über den Wassergehalt im gemessenen Material. Die DK besteht aber grundsätzlich aus einem realen und einem imaginären Anteil. Dielektrische Messverfahren können je nach Verfahren zwischen diesen beiden Anteilen der DK nicht unterscheiden und messen dadurch einen Mix aus Real- und Imaginärteil, was in der Praxis zu Fehlmessungen bei der Wassergehaltsbestimmung führen kann.

Die Grafik zeigt die grundsätzlichen physikalischen Gegebenheiten in Wasser bei unterschiedlichen Messtechnologien in unterschiedlichen Frequenzspektren. Der reale Anteil (blaue Kurve) ist das Maß für den Wassergehalt. Der imaginäre Anteil (rote Kurve) ist das Maß für die dielektrischen Verluste, etwa durch elektrische Leitfähigkeit, Temperatur etc. Der Imaginäranteil ist kein konstanter Wert und kann sich dynamisch durch Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur oder unterschiedlichen Mineralienanteilen, im zu vermessenden Material verändern. Er ist somit ein Störfaktor bei der dielektrischen Wassergehaltsbestimmung. Das Verhältnis von realem zu imaginärem Anteil der DK variiert mit der verfahrensabhängigen Frequenz. Die unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien werden also in unterschiedlichem Maße entsprechend ihrem Frequenzbereich beeinflusst.
Das Trime-TDR-Radarverfahren arbeitet im optimalen Frequenzbereich zwischen 600MHz und 1GHz. Der Realteil (blaue Kurve) ist in diesem Frequenzbereich maximal und – noch – konstant. Der störende Imaginärteil (rote Kurve) ist in seinem Minimum. Das bedeutet, dass eine eindeutige Zuordnung des Realteils zum Wassergehalt gewährleistet ist und die Störeinflüsse des Imaginärteils weitgehend vernachlässigt werden können. Unter allen dielektrischen Messverfahren bietet die Trime-TDR-Technologie die optimalen Voraussetzungen für eine präzise Feuchtemessung, und das bei Temperaturen des Messgutes bis zu 150°C.

Andere Messtechnologien imVergleich

Kapazitive Messverfahren arbeiten, je nach Gerät und Hersteller, in einem Frequenzbereich zwischen 5 und 80MHz. Die DK wird in diesem Frequenzbereich teils in nahezu gleichen Anteilen vom Realteil (Wassergehalt) und Imaginärteil (Mineraliengehalt, Temperatur) beeinflusst. Eine Trennung der beiden Einflussgrößen ist nicht möglich. Daher ist eine präzise Feuchtemessung unter Störgrößen wie Temperatur und Mineraliengehalt nicht möglich.

Mikrowellen-Messsysteme arbeiten mit hohen Frequenzen >1GHz. In diesem Frequenzbereich nimmt der Realteil der DK aber wieder ab. Ein Verlust der Messwertauflösung ist die Folge. Darüber hinaus nimmt der problematische Imaginär- oder Fehleranteil der DK, die Störgröße bei der Feuchtemessung, wieder zu. Daher reagieren Mikrowellenmesssysteme in stärkerem Maße empfindlich gegenüber Temperatur- und Leitwertschwankungen. Das Mikrowellenverfahren ist eine technisch und physikalisch sehr komplizierte Messmethode, bei der zahlreiche Parameter und deren Temperaturgänge das Messergebnis beeinflussen können.
Die Hauptprobleme der Feuchtemesstechnik auf Basis der Messung des elektrischen Widerstandes sind Probenkontaktierung, kleine Messvolumina, d.h. Punkt-zu-Punkt-Messung, erhebliche Temperaturabhängigkeit und die Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit (Salzgehalt) des Messgutes. Unterschiedliche Leitfähigkeiten können schnell durch variierende Temperaturen oder schwankende Mineraliengehalte hervorgerufen werden. Beim Widerstands-Messverfahren ist die Messgröße prinzipbedingt zugleich auch Störgröße und somit als präzise Messmethode nahezu unbrauchbar.

Reflexive NIR-Messtechnik (Near-Infra-Red, reflexiv oder transmissiv) ermöglicht lediglich geringe Eindringtiefen und leidet unter erheblichen Beeinflussungen durch Oberflächenfeuchtigkeit und Staub. Transmissives NIR durchdringt maximal 3cm Materialdicke. Aufwendige und stauungsanfällige Bypasskonstruktionen sind notwendig.

 

Heftausgabe: Mai 2010
Karsten Köhler ,

Über den Autor

Karsten Köhler ,

Karsten Köhler, Sales & Marketing, Imko Mikromodultechnik

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