Auf den Taupunkt gebracht

Prozesstaugliche Taupunktspiegel-Hygrometer für die Industrie

13.09.2018 Feuchtemessung und Taupunktbestimmung in der chemischen Industrie erfolgten bisher meist mit kapazitiven Sensoren. Zu deren Vorteilen zählen der Preis und die schnelle Reaktion auf Änderungen der Messgröße sowie der robuste Aufbau. Nachteilig sind dagegen die mäßige Genauigkeit selbst hochpreisiger Modelle, die Sensordrift über die Betriebsdauer und das Fehlen jeglicher Selbstkontrollmöglichkeit – kurz gesagt die Sicherheit der Messresultate.

Entscheider-Facts für Betreiber

  • Feuchtemessung und Taupunktbestimmung mit kapazitiven Sensoren zeigen Schwächen, wenn für anspruchsvolle Prozesse ein besonderes Maß an Präzision und Langzeitstabilität gefordert ist.
  • Die deutlich günstigeren Taupunktspiegel-Hygrometer sind äußerst genau, für anspruchsvolle Umgebungen geeignet und dabei prinzipbedingt frei von Sensordrift, wodurch sie die insbesondere für empfindliche Prozesse notwendigen sicheren Messergebnisse liefern.

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Taupunktspiegel-Hygrometer erreichen eine hohe Präzision bei der Feuchtemessung und sind eine kostengünstige Alternative zu kapazitiven Sensoren. Bilder: Michell Instruments

Heutige Prozesse in der Industrie sind jedoch hochoptimiert und bieten kaum noch Spielraum für Fehler. Sie sind in jedem relevanten Punkt präzise zu regeln, um durchgehend ein Produkt von höchster Güte zu erhalten. Das setzt voraus, dass umfassende und vor allem zuverlässige Daten über den Prozess bereitstehen, ermittelt von Sensoren und Messgeräten, die den aufgenommenen Werten eine Bedeutung zuweisen und sie an übergeordnete Regelsysteme weitergeben.

Präzise Feuchteregelung für empfindliche Produkte

Von einer hochpräzisen Feuchteregelung der Prozessluft profitieren insbesondere empfindliche Produkte wie hygroskopische Schüttgüter. So muss zum Beispiel ein Kondensat an pulverförmigen Produkten wie chemische Pulverlacke während Produktion und Lagerung tunlichst vermieden werden, um ein qualitativ hochwertiges Produkt zu erzeugen und Ausschuss zu reduzieren. Auch für chemische Additive oder wasserunlösliche Polymere, die als Superabsorber sehr empfindlich auf Feuchtigkeit reagieren, ist eine genaue Überwachung der Prozessluft essenziell.

Taupunktspiegel bieten eine den kapazitiven Sensoren gegenüber überlegene Genauigkeit. Sie sind prinzipbedingt frei von Sensordrift und Hystereseeffekten. Mit Hilfe eines temperierbaren Spiegels und einer Messoptik wird die Temperatur ermittelt, bei der der Spiegel beschlägt und sich die Reflektivität verändert. Bisher bestand der Aufbau eines typischen Messsystems aus dem Spiegel selbst, montiert auf einen Kupferblock, in dem sich ein Temperatursensor befand und einem mit dem Kupferblock verbundenen Peltierelement. Dadurch konnte der Spiegel beheizt oder gekühlt und gleichzeitig die aktuelle Temperatur gemessen werden. Bislang kam diese Art von Sensoren allerdings vornehmlich als Referenzgerät zum Kalibrieren anderer Sensoren und im Labor zum Einsatz.

Hersteller Michell Instruments hat mit der Optidew-Reihe Messgeräte entwickelt, die nicht nur fürs Labor geeignet sind, sondern sich auch in Prozesse  einbinden lassen. Bei den weiterentwickelten Modellen 401 und 501 achtete der Messtechnik-Spezialist vor allem auf robuste Sensorik und gutes Ansprechverhalten. Aufgrund ihrer driftfreien Langzeitpräzision, hohen Genauigkeit und ihres Preis/Leistungsverhältnisses eignen sich die Taupunktspiegel-Geräte auch, um an Schlüsselpunkten kapazitive Sensoren zu ergänzen und die Messsicherheit und Nachverfolgbarkeit zu erhöhen.

Platin-Hybridspiegel mit Nanobeschichtung

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Taupunktspiegel-Hygrometer Optidew 501 als Wandgerät zur Festinstallation …

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… und in der ferngesteuerten Transmitter-Variante ohne Display.

Die weiterentwickelten Sensoren der Baureihe sind als Hybridspiegel ausgelegt. Aus Platin hergestellt, sind sie extrem dünn, sehr korrosionsbeständig und integrieren bereits den Temperatursensor. Das Peltierelement befindet sich thermisch verbunden direkt unter dem Hybridspiegel. Damit entfällt der Kupferblock, was die thermische Masse und den nötigen Bauraum deutlich verkleinert. Auch der zusätzliche Temperatursensor ist obsolet. Da sich die geringe thermische Masse positiv auf die Ansprechzeit auswirkt, erreicht das Taupunktspiegel-Hygrometer vergleichbare Werte wie klassische Sensoren. Zudem gibt es keine exponierten Bauteile, die brechen oder korrodieren können, was der Langlebigkeit zugutekommt.

Als weiterer Schutz vor Korrosion und Verschmutzung der ohnehin schon unempfindlichen Bauteile ist eine Parylenebeschichtung aufgebracht. Diese wenige Nanometer dicke Schicht ist optisch transparent und verändert auch das thermische Verhalten des Sensors nicht. Sie überzieht aber alle Bauteile und schützt sie vor Verschmutzungen und Feuchtigkeit. So ist der offene Sensor gleichzeitig einfach zu warten und zu reinigen und ist dabei dennoch für Hochdruckanwendungen geeignet und vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt.

Durch das Design der Sensorreihe konnte der Hersteller die Anzahl der Sensorvarianten stark reduzieren und dennoch das komplette Anwendungsspektrum erweitern. Drei Sensorausführungen decken den Bereich von -40 bis 120 °C ab, für den früher bis zu neun Varianten aus verschiedenen Materialien nötig waren. Die erste Sensorvariante bis -30 °C verwendet als Grundwerkstoff Polyoxymethylen (POM), ist einstufig gekühlt und besonders für die Umweltüberwachung unter Normalbedingungen geeignet. Variante zwei, ebenfalls aus POM, ist zweistufig gekühlt und deckt damit den Bereich bis -40 °C ab. Die dritte Sensorvariante auf Basis von Polyetheretherketon (PEEK) ist für ultrakorrosive oder Hochtemperaturanwendungen über 90 °C ausgelegt und lässt sich zum Beispiel in der Metallurgie einsetzen. Allen Sensorvarianten gemein ist die Genauigkeit von 0,15 °C bei der Bestimmung des Taupunktes bzw. von 0,1 °C bei der Temperaturmessung sowie eine Wiederholgenauigkeit von 0,05 °C. Zudem sind die Messungen auf NPL- und NIST-Standards rückführbar.

Integrierte Selbstüberprüfung

Die Sensorik ist in der Lage, eine Selbstbewertung vorzunehmen – das Messgerät überprüft durchgehend den Zustand des Spiegels und führt bei Bedarf eine Selbstreinigung durch. Dabei wird der Spiegel kurzfristig abgekühlt, bis sich ein Kondensat bildet. Das führt dazu, dass die Verunreinigungen aufschwimmen und sich zusammenballen. Der folgende Heizzyklus verdampft das „Spülwasser“ und lässt Verunreinigungen nur in einzelnen Ansammlungen zurück. Im Gegensatz zu gleichmäßig verteiltem Schmutz beeinflussen diese Verunreinigungscluster die Reflektivität des Spiegels kaum, und es bleiben genügend Reserven, um die volle Funktionsfähigkeit des Sensors zu erhalten. Ist hingegen abzusehen, dass die Selbstreinigung eine sichere Messung des Taupunktes nicht mehr lange garantieren kann, gibt das Gerät eine entsprechende Meldung aus und empfiehlt einen Wartungseinsatz. Dies vermeidet Ausschuss und senkt Stillstandzeiten und ermöglicht zudem planbare Wartung.

Fazit: Taupunktspiegel-Hygrometer sind hochpräzise Messinstrumente und eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen es auf Messsicherheit und Nachverfolgbarkeit ankommt. Häufig reagieren nicht nur die Produkte empfindlich und benötigen eine genau definierte Feuchtigkeit in der Atmosphäre. Perfekt eingestellte Prozesse sorgen auch bei Katalysatoren und der Maschinerie selbst für eine längere Lebensdauer und bessere Leistung. Als voll prozesstaugliche Messgeräte ergänzen sie insbesondere kapazitive Feuchtesensoren in anspruchsvollen Anwendungen.

Zum Produkt: Taupunktspiegel-Hygrometer Optidew

Der weiterentwickelte Taupunktspiegel von Michell Instruments ist in zwei Gehäusebauformen erhältlich: Der Optidew 401 ist ein transportables Tischgerät für den Einsatz im Labor oder im Feld, der Optidew 501 ist als Wandgerät zur festen Installation gedacht. Beide Geräte sind mit einem Touchscreen-HMI für einfache Bedienung und Konfiguration ausgestattet; das Wandgerät ist zusätzlich als ferngesteuerte Variante ohne Display erhältlich. Die Taupunktspiegel-Hygrometer bieten jeweils zwei 4…20-mA-Ausgänge und eine Auswahl digitaler Kommunikationsschnittstellen: Für den Optidew 401 steht ein Modbus RTU mit der Kommunikation über RS485 und USB sowie ein SD-Kartenslot und optional ein Ethernet-Anschluss bereit. Der Optidew 501 nutzt standardmäßig einen Modbus RTU zur Kommunikation über RS485. Als Optionen sind ein Ethernet-Anschluss und ein SD-Kartenslot wählbar. Alternativ dazu ist das Modell 501 auch geschützt nach IP65 erhältlich und damit auch für die Installation in rauer Umgebung geeignet. Der Sensor mit Taupunktspiegel wird über ein flexibles Kabel mit der Regeleinheit verbunden und kann dabei über 100 m entfernt zum Einsatz kommen.

Heftausgabe: September/2018

Über den Autor

Rolf Kolass, Michell Instruments
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