So funktioniert die kapazitive Feuchtemessung

Grundlegend wird nach direktem und indirektem Verfahren zur Feuchtemessung (Wassergehalt von Schüttgütern) unterschieden.

Direkte Messverfahren sind beispielsweise die Karl-Fischer-Titration oder das Austrocknen von Materialien, z.B. mittels Trockenschrank (Wasserverlust durch Trocknung) - was sicherlich das am häufigsten angewandte Verfahren darstellt.

Zu den indirekten Messverfahren zählen Systeme und Sensoren, die unter anderem nach dem kapazitiven Prinzip Rückschluss auf den Wassergehalt in Schüttgütern erlauben. Weiter wären hier die Feuchtemessarten per Mikrowellen, Infrarot und über den Leitwert zu nennen.

Bei indirekten Feuchtemessverfahren wird nicht direkt das vorhandene Wasser im Schüttgut ermittelt, sondern es werden physikalische Eigenschaften erfasst, die sich durch die Aufnahme oder Vermischung von Wasser mit dem Trägermaterial (z.B. Sand, Kies, Salz, etc.) verändern.

Weil indirekte Messverfahren auf Änderungen physikalischer Eigenschaften aus Trägermaterial und mehr oder weniger Wasseranteil zurückgreifen, müssen Feuchtesensoren dieser Verfahren entsprechend auf das Material kalibriert werden.

Weitere Blogartikel: Übersicht aller gängigen Messverfahren & Übersicht generelles zur Feuchtemessung

Wie funktioniert das kapazitive Messprinzip?

Das kapazitive Feuchtemessprinzip basiert auf dem Funktionsprinzip eines Kondensators. Ein Kondensator baut bei angelegter Spannung ein elektrisches Feld zwischen zwei Kondensatorplatten auf. 
Als Kapazität (C) wird die Fähigkeit eines Kondensators bezeichnet, Ladung (in Abhängigkeit der Spannung) zu speichern (Einheit: Farad). Diese Kapazität wird einmal durch die Kondensatorfläche (A), dem Abstand dieser zueinander (D) und durch das Isolationsmaterial, auch Dielektrikum (ε) genannt, bestimmt.

Die Kapazität ist proportional zur Überlappungsfläche, jedoch umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den leitenden Platten. Je größer die Überlappung und je geringer der Abstand der Platten ist, desto höher ist die Kapazität.

Die dielektrische Konstante hängt von den Isolationseigenschaften des dielektrischen Mediums (Schüttgut) im elektrischen Feld ab. Sie zeigt an, wie durchlässig ein Material für elektrische Felder ist.

Bei einem kapazitiven Sensor bleiben der Abstand der Platten (D) und deren Größe stets konstant. Somit lässt sich über die Veränderung der relativen Permittivität des Materials auf den Wassergehalt schließen, da dies der einzige sich verändernde Parameter ist.

Wie in der Abbildung unten zu sehen, besitzt Wasser bei Standard-Umgebungsbedingungen eine dielektrische Konstante von etwa 80. Viele Trägermaterialien haben dagegen eine relative Permittivität zwischen 2 und 10. Dieser große Unterschied ermöglicht es der kapazitiven Feuchtemesstechnik, sehr empfindlich auf den Wassergehalt des untersuchten Materials (Schüttgut) zu reagieren.

→ Vakuum: εr = 1
→ Messmaterial: εr = 2 bis 10
→ Wasser: εr = 80

Tabelle relativer Permittivitätswerte (dielektrische Konstanten) von Schüttgütern

Das kapazitive Verfahren zur Materialfeuchtemessung ist äußerst vielseitig einsetzbar. Es ermöglicht die Bestimmung des Wassergehalts bzw. der Produktfeuchte zahlreicher Schüttgüter – wie z. B. Sägespäne, Holzschnitzel, Kakaobohnen, Gips und viele weitere – über nahezu den gesamten Feuchtebereich. (Siehe Übersicht weiterer messbarer Materialien.)

Allerdings stößt das Messprinzip bei Schüttgütern mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (z. B. Metallen) an seine Grenzen. In solchen Fällen ist eine Feuchtemessung mit dem kapazitiven Prinzip nicht möglich. Vom Grundprinzip her entspricht dies einem Kurzschluss zwischen den beiden Kondensatorplatten. Der Wassergehalt von Metalloxiden – wie Aluminiumoxid – kann jedoch aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit zuverlässig gemessen werden.

Wie funktioniert ein kapazitiver Feuchtesensor?

Auf der Frontseite eines Feuchtesensors befinden sich ein Streufeldkondensator, meist durch eine Verschleißschutzscheibe geschützt, der ein elektrisches Feld generiert. Das zu messende Material wird nun vor dem Feuchtesensor durch das elektrische Feld geführt (Beispiel Anwendung: Hüttensand - Schlittenmontage). Hierdurch wird der Streufeldkondensator beeinflusst. Nachdem der Sensor auf das Material kalibriert wurde (die Referenzwerte werden mittels Austrocknungsverfahren bestimmt) kann per analogem Normsignal (4...20mA / 0...10V) oder ggf. auch per Profibus DP das Messsignal an eine SPS oder andere Steuerungen übertragen werden. 

Messtiefe des elektrischen Feldes:

Die Feldstärke und folglich auch die Messtiefe des elektrischen Feldes hängen bedeutend von der Größe des Streufeldkondensators und zu messenden Material selbst, sowie dessen Verdichtung ab. Bei einem ACO Sensor mit einem Durchmesser von 76mm beträgt die maximal Eindringtiefe des elektrischen Feldes ca. 150 mm.

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