Wie 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.

Capacitance is proportional to the area of overlap but inversely proportional to the separation between the conducting sheets. The bigger the area of overlap is and the closer the sheets are to each other, the greater is the capacitance.
 

The dielectric constant depends on the insulation characteristics of the dielectric medium (bulk solids) within an electric field. It indicates how permeable the material is for electrical fields.
 

The distance of the conducting sheets (D) and the size of the plates themselves are always kept constant to a capacitive sensor. So the changing of the relative permittivity of the material allows a conclusion relating to the water content because it is the only parameter that is changing.

As you can see on the image below water has a dielectric constant of 80 (based on standard ambient conditions). Many carrier materials have a relative permittivity between 2 and 10. This great difference allows this capacitive moisture measuring technology to get a high response regarding the water content of the measured materials (bulk solids).

→ Vacuum: εr = 1

→ Measured material: εr = 2 to 10

→ Water: εr = 80

Table of relative permittivity values (dielectric constants) of bulk materials

The capacitive material moisture measurement method is highly versatile and can be applied flexibly. It allows for determining the water content or product moisture of many bulk materials – such as sawdust, wood chips, cocoa beans, gypsum, and many others – across nearly the entire moisture range. (See overview of other measurable materials.)

However, the measuring principle reaches its limits with bulk materials that have high electrical conductivity (e.g. metals). In such cases, moisture cannot be measured using the capacitive principle. Conceptually, it is similar to a short circuit between the two capacitor plates. The water content of metal oxides – such as aluminum oxide – can, however, be measured reliably due to their low conductivity. 

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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