Taupunktmesstechnologien und ihre Leistungsunterschiede in Druckluftanwendungen

Die häufigsten Probleme bei Taupunktsensoren in Druckluftsystemen betreffen in der Regel folgende Punkte: 

• Ansprechzeit 
• Zuverlässigkeit der Messwerte 
• Wiederherstellung nach Spritzwasser oder Kondensation 
• Einwirkung von Kompressoröl

Um diese Herausforderungen besser zu verstehen, lohnt es sich, zunächst die Leistungsunterschiede zwischen den gängigsten Sensortechnologien zu untersuchen.

Die Taupunktspiegeltechnologie bietet höchste Genauigkeit über einen weiten Bereich von Taupunkten. Das Funktionsprinzip basiert auf der fundamentalen Definition des Taupunkts –Abkühlung eines Luftvolumens bis zur Kondensation. Eine Gasprobe strömt über eine metallische Spiegeloberfläche, die durch einen Kühler gekühlt wird. Das Licht wird dann auf den Spiegel gerichtet, sodass ein optischer Sensor die Menge des reflektierten Lichts messen kann. Wenn der Spiegel so weit abgekühlt ist, dass es zur Kondensation kommt (d. h. der Taupunkt erreicht ist), verringert sich die vom Spiegel reflektierte Lichtmenge, was wiederum vom optischen Sensor erfasst wird. Die Kühlung wird mittels eines Temperatursensors am Spiegel feinjustiert. Hat sich zwischen Verdunstung und Kondensation ein Gleichgewicht eingestellt, entspricht die Spiegeltemperatur dem Taupunkt. Das Messprinzip mit einem Taupunktspiegel ist hochempfindlich gegenüber Schmutz, Öl, Staub und andere Verunreinigungen der Spiegelfläche. Meistens sind präzise Taupunktspiegel-Messgeräte sehr teuer und werden häufig dort eingesetzt, wo äußerste Genauigkeit erforderlich und regelmäßige Wartung und Reinigung möglich ist.

An zweiter Stellen stehen kapazitive Metalloxidsensoren, einschließlich der Aluminumoxidtechnologie, die für die Messung sehr niedriger Taupunkte in industriellen Prozessen ausgelegt sind. Auch wenn zur Herstellung unterschiedliche Materialien eingesetzt werden können, die Grundstruktur des Sensors und das Funktionsprinzip sind im Allgemeinen gleich. Diese kapazitiven Sensoren sind schichtweise aufgebaut, wobei eine Grundschicht aus einem Substrate, eine untere Elektrodenschicht, eine hygroskopische Mittelschicht aus einem Metalloxid und eine wasserdurchlässige obere Elektrodenschicht in einer Sandwichstruktur zusammengefasst sind. Die Kapazität zwischen der unteren und oberen Elektrode verändert sich in Abhängigkeit von der Menge des durch die Metalloxidschicht aufgenommenen Wasserdampfes (Dielektrikum des Kondensators) und stellt eine Funktion von Taupunkt dar. Während sie eine ausgezeichnete Genauigkeit bei Messungen von niedrigen Taupunkten, bis −100 °C und darunter, bieten, neigen sie zu einer schlechten Langzeitstabilität in Prozessen mit wechselnden Taupunkten in höheren Bereichen (z. B. bei Gefriertrocknungssystemen). Metalloxidsensoren können auch durch hohe Feuchte und Kondensation leicht beschädigt werden. Diese Abweichungen im Messwert erfordern häufige Kalibrierungen, die in der Regel nur im Kalibrierlabor des Herstellers durchgeführt werden können.

Die Palette der Sensortypen wird mit den kapazitiven Polymersensoren abgerundet, die genaue Messungen über einen breiten Messbereich liefern und eine ausgezeichnete Langzeitstabilität bieten. Seit Januar 1997, als Vaisala den ersten Polymersensor für Taupunktmessungen auf den Markt brachte, wird die DRYCAP® Technologie in einer Vielzahl von industriellen und meteorologischen Anwendungen eingesetzt. Neue Innovationen haben es ermöglicht, Polymersensoren auch in Anwendungen mit niedrigem Taupunkt zu verwenden. Auch wenn das kapazitive Funktionsprinzip dem von Metalloxid ähnlich ist, gibt es einige grundlegende Unterschiede. Über den offensichtlichen Unterschied beim Material der hygroskopischen Schicht hinaus (Polymer vs. Metalloxid), ist ein kapazitiver Polymersensor fest mit einem Widerstandstemperatursensor verbunden. Der Polymersensor misst die Feuchte (Anzahl der Wassermoleküle im gemessenen Gas) als relative Feuchte (rF), während der Temperatursensor die Temperatur des Polymersensors misst. Aus diesen beiden Werten errechnet der Mikroprozessor der Elektronik des Messwertgebers die Taupunkttemperatur. Mit der Funktion der Autokalibrierung, ebenso von Vaisala entwickelt, werden mit dem Polymersensor die genauen Taupunktwerte unter sehr trockenen Bedingungen gemessen. Geht die relative Feuchte gegen Null, haben bereits kleine Änderungen der Feuchte relativ große Änderungen bei den Taupunktwerten zur Folge. So entsprechen z. B. Taupunkttemperaturen von −40 °C und −50 °C bei Raumtemperatur einer relativen Feuchte von 0,8 % rF und 0,3 % rF. Mit der typischen Genauigkeit der Polymersensoren von ±2 % rF kann eine Genauigkeit von ±2 °C Taupunkttemperatur bis zu einem Wert von −9 °C erreicht werden. Dank der Autokalibrierung erstreckt sich die Genauigkeit von ±2 °C bis auf eine Temperatur von −80 °C.

Beim Autokalibriervorgang wird der Sensor erhitzt und wieder abgekühlt wobei die Feuchte und die Anzeigewerte des Sensors überwacht und aufgezeichnet werden. Diese Daten werden analysiert und zur Justierung der Messwerte des Feuchtesensors genutzt. 

Kernpunkt dieser genauen Kalibrierung ist der Fakt, dass das Sensorausgangssignal gleich dem Wert für die relative Feuchte (rF) ist, die sich entsprechend der Temperatur verändert. Diese bekannte physische Abhängigkeit ermöglicht der Autokalibrierung einzuschätzen, ob der niedrige Messwert für die Feuchte bei 0 % rF korrekt ist. Eine mögliche Abweichung wird dann automatisch durch den Mikroprozessor korrigiert. Das Ergebnis ist eine höhere Genauigkeit als ±2 °C auch bei niedrigen Taupunkten. 

Die Polymertechnologie, das Ergebnis jahrelanger Tests und sorgfältiger Materialauswahl, bietet in Kombination mit intelligenter Elektronik eine leistungsstarke Lösung für Anwendungen, bei denen nur minimaler Wartungsaufwand für den Taupunktmesswertgeber erforderlich ist.