Kapazitive Feuchtemessung

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🎓 Die Funktionsweise einer kapazitiven Feuchtemessung gleicht der eines Kondensators. Über die Änderung der Dielektrizitätskonstante (Permittivität), unter Zunahme des Wassergehalts einer Probe, kann ein Rückschluss auf die Materialfeuchte gezogen werden. / Definition



Prinzip

Kapazitiver Sensor zur Feuchtemessung der Materialfeuchte

In vielen Produktionsbetrieben wie der Biomasseindustrie, bei der Herstellung von Pellets und Holzhackschnitzeln oder in der Lebensmittelindustrie bei der Gewinnung, Verarbeitung und dem Transport (Logistik) von z.B. Kaffee- oder Kakaobohnen spielt der Wassergehalt eine wichtige Rolle in Bezug auf Qualität, Produktivität und wirtschaftliche Aspekte. Für wesentliche Trocknungs-, Konditionierungs- oder Lagerungsprozesse bei der Herstellung von Pellets, Hackschnitzeln, Getreide, Kaffee, Kakao etc. ist der Restwassergehalt in den Materialien ein wesentlicher Prozessparameter. Der Wassergehalt als Prozessparameter wird dann als Steuerungsgröße in die Trocknungsanlagen, Konditionierungsanlagen oder automatisierte Logistikbe- und -entladesysteme für Steuer- und Regelprozesse integriert.

Feuchtesensoren werden zur Bestimmung des Wassergehalts von Materialien in Produktionsanlagen eingesetzt. Ein zentrales Messprinzip zur Erfassung der Restfeuchte in Materialien wie Schüttgütern, Granulaten und Pulvern ist das kapazitive Feuchtemessprinzip. Beim kapazitiven Feuchtemessprinzip werden analog zum Funktionsprinzip eines Kondensators über die Änderung der Permittivität (Dielektrizitätskonstante) verschiedener Materialien in Abhängigkeit von der Permittivität des Wassers Rückschlüsse auf den Feuchtegehalt des zu produzierenden Materials gezogen.

Funktionsweisen

Das kapazitive Feuchtemessprinzip basiert auf dem Funktionsprinzip eines Kondensators. Beim Anlegen einer Spannung erzeugt ein Kondensator ein elektrisches Feld zwischen zwei Kondensatorplatten. Die Kapazität (C) ist die Fähigkeit eines Kondensators, Ladung (abhängig von der Spannung) zu speichern (Einheit: Farad). Diese Kapazität wird einmalig durch die Kondensatorfläche (A), deren Abstand (D) und das Isolationsmaterial, auch Dielektrikum (ε) genannt, bestimmt.

Modell eines Kondensators mit 2 Kondensator-platten zur Feuchtemessung

Abhängig von den Isolationseigenschaften des Dielektrikums ergibt sich eine unterschiedliche relative Permittivität (εr). Die Permittivität kennzeichnet die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder. Andere Begriffe für die Permittivität sind die Dielektrizitätskonstante oder die dielektrische Funktion.

Der Abstand zwischen den Platten (D), und die Kondensatorfläche (A) des kapazitiven Feuchtesensors sind immer konstant. Dies bedeutet, dass aus der Änderung der Permittivität Rückschlüsse auf den Wassergehalt im Messmedium gezogen werden können.

Schaubild zur Veranschaulichung wie das Prinzip der Feuchtemessung funktioniert

Wie die Abbildung gezeigt, hat Wasser eine relative Permittivität (εr) von ungefähr 80 (unter normalen Umgebungsbedingungen). Viele Schüttgüter haben eine relative Permittivität (εr) im Bereich zwischen zwei und zehn. Durch die hohe Differenz kann das kapazitive Messprinzip Rückmeldung über den Wassergehalt im Trägermaterial geben.

  • Vakuum: εr = 1
  • Messmedium: εr = 2 bis 10
  • Wasser: εr = 80

Anwendungsgebiete

Das kapazitive Materialfeuchtemessverfahren ist sehr vielseitig und flexibel. Der Wassergehalt oder die Produktfeuchte vieler Schüttgüter wie Sägespäne, Hackschnitzel, Kakaobohnen, Gips und vieler anderer Stoffe kann über nahezu den gesamten Feuchtebereich bestimmt werden.

Das Messprinzip stößt jedoch bei Schüttgütern mit hoher Leitfähigkeit (z. B. Metallen) an seine Grenzen. Das kapazitive Prinzip kann hier nicht zur Messung von Feuchtigkeit verwendet werden. Grundsätzlich kann man sich vorstellen, dass dabei zwischen den beiden Kondensatorplatten ein Kurzschluss entsteht. Der Wassergehalt von Metalloxiden, beispielsweise Aluminiumoxid, ist jedoch aufgrund seiner geringen Leitfähigkeit gut messbar.