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Wissen aus dem Bereich der thermodynamischen Kalibrierung

Die Wissensseite zu der thermodynamischen Kalibrierung  beantwortet Fragen rund um die Temperatur- und Feuchtekalibrierung. Sie erhalten einen Einblick welche Möglichkeiten und Messgeräte es für die beiden Kalibrierungen gibt.

Wieso müssen Feuchtemessgeräte kalibriert werden?

Entscheidend für die Prozesspräzision und Kosteneinsparung ist – auch bei langzeitstabiler Sensorik – die regelmäßige Kalibrierung und eventuelle Nachjustage. Bleibt dies aus, läuft man Gefahr, das Feuchte-Sollintervall bereits nach ein bis zwei Jahren enger definieren zu müssen, mit erheblichen Auswirkungen auf die Betriebskosten. Für den Prüfmittel- bzw. Anlagenverantwortlichen ist es entscheidend, passend zum Feuchtemessgerät ein Komplettsystem vorzufinden, dass diese Kalibrierung und Justage mit geringem Aufwand ermöglicht.

Feuchte Kalibrierung

Welche Feuchtekenngrößen gibt es?

Die absolute Feuchte fabs [g/m³] gibt an, welche Masse Wasser in einem Volumen in Form von Dampf enthalten ist. Bei gleichbleibendem Luftvolumen ist die absolute Luftfeuchte temperatur- und druckunabhängig. Verringert sich aber das Volumen aufgrund äußerer Druckeinwirkungen oder einer Abkühlung bei gleichbleibendem Wassergehalt, so steigt die absolute Feuchte entsprechend an.

Die Sättigungsfeuchte oder maximale Feuchte fmax [g/m³] gibt die maximal mögliche Wasserdampfmenge in einem Kubikmeter Luft bei einer bestimmten Temperatur an. Hierbei steigt das Feuchteaufnahmevermögen der Luft bei steigender Temperatur an. Wird die maximale Feuchte jedoch überschritten, schlägt der überschüssige Wasserdampf in Form von Kondensat (Tröpfchenbildung) nieder. 

Diagramm Sättigungsmenge von Wasserdampf in der Luft

Die relative Luftfeuchte U [%rF] ist das Verhältnis zwischen der tatsächlich enthaltenen zur maximal möglichen Masse des Wasserdampfes in der Luft. Zudem setzt die relative Feuchte den Feuchtegehalt in Bezug zur Sättigung und ist daher ein Maß für das Sättigungsdefizit in der Luft. Somit zeigt die relative Feuchte an, wie viel Prozent der maximal möglichen Wasserdampfmengen momentan in der Luft vorhanden sind.

 

Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung

Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung: Zur Kalibrierung von Feuchtemessgeräten/-datenloggern/ -messumformern werden vorzugsweise folgende Messmethoden und Messsysteme verwendet:

  • Feuchtes-Tuch-/Feuchter-Lappen-Methode
  • Fixpunktzellen/Salztöpfchen
  • Zwei-Mengen-Generatoren
  • Klimakammer
  • Huminator
  • Zwei-Temperatur-/Zwei-Druck-Generatoren
  • Feuchtegenerator Thunder
  • Drucktaupunktanlagen

Lesen Sie unseren interessanten Fachartikel zum Thema:

Fachartikel Messgröße Feuchte

Wie kalibriert man Hygrometer?

Im Vergleich zu anderen Messgrößen (Temperatur, Strömung ...) ist die Kalibrierung von Hygrometern schwieriger, da die Erzeugung definierter Feuchte einen wesentlich höheren Aufwand darstellt. Vor allem im Spuren- und Hochfeuchtebereich treten spezifische Probleme wie Adsorptions-/Desorptionserscheinungen oder Kondensatausfall auf. Folgende Methoden sind für die Kalibrierung von Hygrometern geeignet:

  • Feuchtes-Tuch-/Feuchter-Lappen-Methode
  • Fixpunktzellen/Salztöpfchen
Schaubild zum Taupunktspiegelhygrometer

Was ist ein Taupunktspiegelhygrometer?

Das Messprinzip der Taupunktspiegelhygrometer beruht auf der Abkühlung der feuchten Luft bis Kondensation eintritt. Das Auftreten kondensierenden Wassers an einem temperierten Spiegel wird optisch festgestellt, und zwar dann, wenn der Spiegel gerade anfängt zu beschlagen. Die in diesem Moment herrschende Temperatur entspricht der Taupunkttemperatur. Eine Regeleinrichtung hält die Spiegeltemperatur konstant auf der Taupunkttemperatur, die dann mittels Platin-Temperatursensoren sehr genau bestimmt werden kann. Zur Kühlung wird ein Peltierelement eingesetzt und die verspiegelte Fläche wird über optoelektronische Verfahren ausgewertet.

Welche Feuchtesensoren gibt es?

Ein Sensor (lateinisch sensus: „Gefühl“) oder (Mess-)Fühler ist ein technisches Bauteil, das neben bestimmten physikalischen oder chemischen Eigenschaften (z. B. Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallwechseldruck, Schall, Helligkeit, Magnetismus, Beschleunigung, Kraft) auch die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Aufgrund des großen Dynamikbereichs und der Tatsache, dass es kaum Materialien und physikalische Effekte gibt, die nicht durch Wasserdampf im Messgas beeinflusst werden, gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensorprinzipien, die Feuchte zu bestimmen.

  • Keramische Sensoren
  • Lithium-Chlorid-Sensoren
  • Polymersensoren
    • Resistive Polymersensoren
    • Kapazitive Polymersensoren

Wie funktioniert ein Polymersensor?

Ein Polymersensor nutzt die Veränderung der Eigenschaften eines speziellen Kunststoffes (Polymer) in Abhängigkeit von der Feuchte der Umgebung. Einfache Polymersensoren nutzen die Veränderung des elektrischen Widerstandes einer feuchteempfindlichen Polymerschicht (resistive Polymersensoren), höherwertige Geräte haben auf den Seiten eines kleinen Polymerplättchens Metallflächen angebracht und messen die Veränderung der Dielektrizitätskonstante des Polymers als Veränderung der Kapazität der Anordnung (kapazitive Polymersensoren). Bei Kenntnis der Messtemperatur lässt sich die relative Feuchte in eine absolute Feuchte umrechnen.

Wie werden Temperaturmessgeräte kalibriert?

Unter dem Begriff ”Kalibrieren eines Thermometers” versteht man das Ermitteln der Messabweichung des Thermometers. Die Messabweichung ist die Differenz zwischen der ”richtigen” Temperatur des Thermometers und der angezeigten Temperatur bzw. dem Ausgangssignal.

Temperatur Kalibrierung

Welche Methoden gibt es bei der Temperaturmessung?

Abhängig von den Temperaturbereichen und den Umgebungsbedingungen können verschiedene Methoden angewendet werden. Am häufigsten sind die sogenannten Berührungsthermometer, hierbei wird das zu messende Medium berührt oder in dieses eingetaucht. Der Gegensatz bildet die berührungslose Variante, hierzu zählt unteranderem die Thermografie oder auch Strahlungsthermometrie genannt. Können direkte Messungen nicht durchgeführt werden, wie zum Beispiel bei sehr hohen Temperaturen, ist diese Methode eine geeignete Alternative.

Welche Sensoren gibt es im Bereich der Temperaturmessung?

Die Auswahl des richtigen Sensors zur Messung der Temperatur bestimmt die Genauigkeit der Messergebnisse. Dabei ist zu beachten, dass die verschiedenen Sensoren unterschiedliche Anforderungen erfüllen.

  • Ein großer Messbereich bedeutet in der Regel eine beschränkte Genauigkeit,
  • besonders schnelle Fühler mit kurzen Angleichzeiten sind meistens nicht für robuste Alltagsmessungen geeignet,
  • die Bauform entscheidet, welcher Fühler für welche Messungen geeignet ist.

Überblick über verschiedene Sensoren

  • Widerstandsthermometer
  • Kaltleiter (PTC-Sensor)
  • Heißleiter/Thermistorsensoren (NTC-Sensor)
  • Platinsensor (z.B. PT100)
  • Thermoelementsensor

Möglichkeiten der Temperaturkalibrierung

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Kalibriermethoden bei der Temperaturkalibrierung: Die Kalibrierung an Fixpunkten und die Kalibrierung durch Vergleichsmessung. Zu diesen Methoden gibt es verschiedene Möglichkeiten, um Prüf-/Messeinrichtungen und -instrumente rückführbar auf die ITS 90 kalibrieren zu können:

  • Kalibrierung an Fixpunkten
  • Kalibrierung in Flüssigkeits- (Umwälz- bzw. Kalibrier-) Bäder
  • Kalibrierung in Metallblock-Kalibratoren
  • Kalibrierung in Rohröfen
  • Kalibrierung an Oberflächen (berührend und berührungslos)
  • Kalibrierung in Temperatur-/Klimaschränken

Lesen Sie unseren interessanten Fachartikel zum Thema:

Fachartikel Messgröße Temperatur

Kalibrierung in Flüssigkeitsbädern

Bei der Kalibrierung durch Vergleichsmessung, werden ein Normalthermometer und der Prüfling einer konstanten Temperatur ausgesetzt, die z.B. in einem gerührten Flüssigkeitsbad oder einem Metallblock-Kalibrator erzeugt wird. Die tatsächliche Temperatur in der Einrichtung wird mit dem Normal gemessen und mit der Anzeige des Prüflings verglichen, nachdem sich ein thermisches Gleichgewicht zwischen den Thermometern und dem Kontaktstoff eingestellt hat. Zur Kalibrierung sollten aufgrund einer möglichst gleichmäßigen Temperaturverteilung nur gerührte Flüssigkeitsbäder zum Einsatz kommen. Bei den Flüssigkeitsbädern unterscheidet man grundsätzlich zwischen Umwälzbecken oder auch Umwälzthermostaten und sogenannten Überlaufbecken.

Kalibrierung in Umwälzthermostaten und Überlaufbecken

Bei den Flüssigkeitsbädern unterscheidet man grundsätzlich zwischen Umwälzbecken oder auch Umwälzthermostaten und sogenannten Überlaufbecken. Kalibrierung in Überlaufbecken: Bei dieser Konstruktion wird die Badflüssigkeit von unten nach oben umgewälzt. Dadurch erreicht man innerhalb des Beckens eine sehr homogene räumliche Temperaturverteilung und eine hohe zeitliche Temperaturkonstanz. Der Vorteil des Überlaufbeckens gegenüber dem Umwälzbecken liegt in der besseren Temperaturkonstanz, einer gleichmäßigen Temperaturverteilung und des definierten zylindrischen Nutzraumes.

Schaubild maximale Feuchte in Abhängigkeit von der Taupunkttemperatur

Was ist Taupunkt (Taupunkttemperatur) °Ctp?

Die Taupunkttemperatur ist definiert als die Temperatur bei welcher der aktuelle Wasserdampfgehalt in der Luft (100% relative Luftfeuchtigkeit) maximal ist. Die Taupunkttemperatur ist unabhängig von der aktuellen Temperatur. Eine Möglichkeit die Taupunkttemperatur zu messen ist das Abkühlen von Metall bis sich die Oberfläche mit Wasserdampf beschlägt. Dann ist die Temperatur des Metalls die Taupunkttemperatur. Dieser Effekt wird auch bei verschiedenen Mess- und Kalibrierverfahren genutzt („Feuchter-Strumpf-Methode“; „Taupunktspiegelhygrometer“).