Neues Verfahren zur Messung des Taupunkts

Die Messung des Taupunkts gehört im physikalischen Praktikum zu den beliebten Versuchen. Bewaffnet mit Mundschutz und Papiertuch, wird zunächst der Metallspiegel mit Trichlorethan gereinigt. Dann wird Äther verdampft, die Temperatur sinkt, und plötzlich beschlägt der Spiegel. Sobald der Praktikant sich also nicht mehr sieht, schreibt er den Temperaturwert auf, und das Experiment ist beendet.

Die Messung des Taupunkts gehört im physikalischen Praktikum zu den beliebten Versuchen. Bewaffnet mit Mundschutz und Papiertuch, wird zunächst der Metallspiegel mit Trichlorethan gereinigt. Dann wird Äther verdampft, die Temperatur sinkt, und plötzlich beschlägt der Spiegel. Sobald der Praktikant sich also nicht mehr sieht, schreibt er den Temperaturwert auf, und das Experiment ist beendet.

Automatisierte Taupunkt-Spiegel kühlen mit einem Peltier-Element, und die Temperatur wird laufend von einem Pt100-Widerstandsthermometer bestimmt. Den aufmerksamen Praktikanten aber ersetzt eine Kombination aus Laser und Fotozelle. Sobald der Spiegel beschlägt, sinkt die Intensität des reflektierten Laser-Lichtes an der Fotodiode drastisch. Der Intensitätssprung muss nun nur noch mit der zu diesem Zeitpunkt bestimmten Temperatur korreliert werden.

Der Spezialist für Taupunkt-Sensorik, Michell Instruments (www.michell.de), hat eine Messmethode entwickelt, die er unter dem Acronym „FAST“ (Frost Assurance System Technology) vermarktet. Sie ermöglicht auch Bestimmungen des Taupunktes bei Temperaturen unterhalb 0 °C, indem sie unterhalb des Gefrierpunktes zuverlässig für die Bildung von Eiskristallen sorgt und nur diese detektiert. Die neue Methode wird derzeit in die Geräte der Taupunkt-Spiegelhygrometer „Optidew“ implementiert.

Ein thermodynamisches System kann u.U. zu einer Temperatur geführt werden, die weit unterhalb der normalen Phasengrenze liegt. Liegt etwa bei der Taupunkt-Messung das Wasser als unterkühlte Flüssigkeit vor, dann kann die an der Temperatur des Phasenübergangs einsetzende Umwandlung in einen Festkörper später einsetzen: Die Eiskristalle bilden sich erst bei Temperaturen unterhalb von 0 °C, das Messergebnis wird verfälscht. Eine solche Verschlechterung der Präzision vermeidet FAST durch spezielle Messroutinen, die die Tauspiegeltemperatur bei unterschiedlichen Temperaturen in der Nähe des Frostpunktes überwachen und gezielt trimmen. Durch diese zusätzlich gewonnenen Messwerte werden stets präzise Bestimmungen des Taupunktes möglich, auch unter extremen Bedingungen. Das FAST-Verfahren wird in den Michell-Instrumenten der S8000-Serie und der Optidew-Baureihe verfügbar (Bild 1).

Mit seinem neuen „Easidew TX EX“ (Bild 2) bietet Michell einen Taupunkt-Sensor nach dem Kondensator-Prinzip. Dabei wird die Variation der Dielektrizitätskonstante eines Dielektrikums mit der Feuchtigkeit genutzt; sie lässt sich über eine Oszillatorschaltung einfach in einen elektronisch verfügbaren Messwert umsetzen.

Das Kernelement des neuen „Advanced Ceramic Moisture“-Sensors ist der keramische Impedanz-Taupunkt-Sensor. Dabei werden auf einem Keramiksubstrat zunächst eine leitende Schicht und darauf eine nicht-leitende Schicht von 1 μm Dicke aufgebracht. Diese wird von einer porösen, aber leitenden Schicht abgedeckt, die Wasserdampf leitet. Es entsteht also ein Kondensator, dessen Kapazität mit der Feuchte korreliert ist. Wegen der dünnen Schichten reagiert der Sensor schnell auf Änderungen der Feuchtigkeit. Die Taupunkt-Genauigkeit des Sensors beträgt 1 Prozent. Der Sensor ist mit einem Filter aus HDPE (High Density Poly-Ethylene) ausgerüstet, dessen Porosität unter 10 μm liegt und der somit für Flüssigkeiten undurchlässig ist. Der Filter zeigt seinen Verschmutzungsgrad optisch an. Ein Wechsel des Sensors ist problemlos möglich, da alle Kalibrierdaten in dem Flash-Speicher des Transmitters abgelegt sind, in den auch die von einem Mikrocontroller gesteuerte Mess-Elektronik integriert ist. Beim Sensor-Wechsel wird der Transmitter elektrisch getrennt, ausgebaut und durch einen neuen, fertig kalibrierten Transmitter ersetzt.