Feuchtemessung reduziert Energiekosten

Dipl.-Ing. Matthias Sprinz, Produktmanager „Feuchte- und Sauerstoffmesstechnik“, Panametrics GmbH, Mess- und Prüftechnik, Hofheim

Es gibt durchaus preiswerte hochmoderne Lösungen für die verschiedensten Anwendungsfälle der Qualitätssicherung, so zum Beipiel in Trocknungsprozessen, Schutzgasüberwachung, Überwachung chemischer, petrochemischer und pharmazeutischer Verfahren, Reinstgas-Herstellung und -Anwendung sowie Wärmebehandlung/ Überwachung von Ofenatmosphären.

Vor ihrem Einsatz sind jedoch verschiedene Fragen zu klären, zum Beispiel ob der Einsatz im ex-freien Raum oder in ex-gefährdeten Bereichen erfolgen soll? Letztere stellen deutlich höhere Anforderungen an Sensorik, Kabelverbindungen und Geräteelektronik. Ist die Feuchte unter dem Einfluss aggressiver Medien zu ermitteln, kommt es auf das Standvermögen der Sensorik oder auch auf die Kosten von Probenentnahmesystemen an. Natürlich spielen auch Fragen der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung sowie deren Kosten eine gewichtige Rolle.

Trocknungsprozesse verursachen einen nicht zu unterschätzenden Posten in der Energiekostenrechnung. So lassen sich beispielsweise für die Drucklufttrocknung je nach Anlage 2 bis 4 Pfennige pro Kubikmeter ansetzen. Das meiste Geld geht durch eine Leckage im Leitungsnetz verloren. Experten gehen davon aus, dass in nicht wenigen Betrieben mit einer Leckagerate von bis zu 30 Prozent zu rechnen ist. Undichte Ventile, korrodierte Leitungen sind eine Folge der Feuchte in der Druckluft. Weitere Schäden durch unkontrollierte Druckluftfeuchte entstehen nicht nur an druckluftgetriebenen Werkzeugen. Produktionsstörungen durch gefrorene Restfeuchte in Druckluftleitungen sind bei Frostperioden keine Seltenheit. Auch direkt in der Produktion bildet zum Beispiel die feuchte Druckluft in pneumatischen Förderanlagen große Risiken.

Energiekostentreibend ist die ungenügende Steuerung von Trocknungssystemen. Trockner, die mit Zeitsteuerungen oder „nach Gefühl“ regeneriert werden, können die für den Trocknungsprozess eingesetzte Energie nicht optimal nutzen.

Drucklufterzeuger und Verteilungssysteme zu überwachen, ist eine Standardaufgabe, die dennoch hohe Ansprüche stellt: Kompressoren saugen mit der in der Umgebungsluft enthaltenen Wasserdampfmenge die in der Atmosphäre gegebenen Gase wie CO, CO2, H2S, NOx an. Ein Teil des Wasserdampfs dieser unter der Verdichtung feuchtegesättigten Luft kondensiert und schlägt sich im Druckluftsystem nieder. Es bildet sich ein anlagen- und produktgefährdendes Kondensat, das ph-Werte von bis zu 3 erreicht. Die Feuchteüberwachung an Drucklufttrocknern ist keine Nebenaufgabe: Immerhin produziert bei Luft mit 20 °C und einer relativen Feuchte von 60 Prozent ein großer Kompressor mit einer Leistung von 450 l/s im 24-Stunden-Betrieb etwa 320 Liter des gefährlichen Kondensats. Die Folge sind hohe Instandhaltungskosten bedingt durch Reparaturen an verstopften oder korrodierten Leitungen und Werkzeugen. Brüchige Dichtungen und blasende Ventile sind weitere Konsequenzen. Hinzu kommt ein hohes Produktionsrisiko durch Maschinenausfall oder durch defekte pneumatische Steuerungen und Ventile.

Es kann außerdem zu Verklumpungen und Verstopfungen oder Eisbildung in pneumatischen Fördersystemen kommen. In Kunststoff- oder Glasprodukten kommt es zum Beispiel durch Schmutz- oder Wassereinschlüsse ebenso zu Qualitätsmängeln wie an den Oberflächen bei Spritzvorgängen.

Einzig die Messung der am jeweiligen Trocknerausgang gegebenen Restfeuchte kann die bereits erwähnten Risiken ausschalten und zusätzlich einen wesentlichen Beitrag zur Energiekostensenkung leisten. Denn der Taupunkt informiert den Anlagennutzer über die mitgeführte Wasserdampfmenge und erlaubt so einen aufgabengerechten Trockenheitsgrad.

In Chemie, Pharmazie und Lebensmittelindustrie, aber auch in der Kunststoffverarbeitung gilt es Granulate und Fertigprodukte mit genau definiertem Trockengrad herzustellen. Bei der Steuerung der Trockner in derartigen Prozessen geht es primär um die Sicherung der Produktqualität und -haltbarkeit, aber eben auch um einen möglichst effizienten Energieeinsatz.

Ob Schutzgas betriebene Öfen, Haubenglüh- oder Durchlauföfen, die Industrieofenüberwachung setzt praktisch immer die Taupunktmessung voraus. Je nach Prozess geht es dabei um die Taupunktmessung im Spurenbereich oder auch nur um die Messung im Prozentbereich. Aufgrund der herrschenden Messbedingungen werden in der Regel Probenentnahmesysteme benötigt.

An einem mit Schutzgas betriebenen Ofen für Bandmaterial muss zum Beispiel der Taupunkt zur Regelung der Spülmengen bestimmt werden. Die Messatmosphäre besteht aus 100 Prozent N2 oder aus einer Mischung aus H2/N2 . Die Temperatur an der Messstelle beträgt 650 °C und die Sollwertvorgabe für den Taupunkt beträgt m 40° CTP.

Die Probenentnahme erfordert nicht immer alle Komponenten eines solchen Systems. So wird die Pumpe beispielsweise nur bei nicht genügendem Überdruck im Ofen ( > 100 mbar) benötigt.

Die bislang genannten Beispiele skizzieren Feuchtemessung in Gasen. Das hier beschriebene Messsystem ermöglicht es, dank des patentierten Aluminiumoxid-Dünnschichtsensors, Taupunkte nicht nur in Gasen sondern auch in Flüssigkeiten zu ermittlen. Ein praktisches Anwendungsbeispiel ist die Überwachung von Betankungs- und Entladevorgängen hygroskopischer organischer Flüssigkeiten wie die Kontrolle von Bremsflüssigkeiten oder Transformatorenölen.

Die Oberfläche des Sensors kann als semipermeable Schicht betrachtet werden, die die Messung des Wasserdampfpartialdrucks nicht nur in gasförmigen Medien sondern auch in Flüssigkeiten gestattet. Die Nachweisgrenze liegt deutlich unter der nasschemischer Verfahren. Der Sensor gestattet die kontinuierliche Messung in fast allen organischen Flüssigkeiten und in den meisten Flüssiggasen, solange der Wasseranteil unterhalb der Sättigungsgrenze der jeweiligen Flüssigkeit liegt.

Für nichtpolare Flüssigkeiten wie Hexan, bei denen die Sättigungskonzentration bei etwa einem Gewichtsprozent oder weniger liegt, gilt in der Regel das Henry’sche Gesetz: Danach ist der Wassergehalt gleich dem Wasserdampfpartialdruck, multipliziert mit einer Konstanten. (Die Konstante wiederum ist im Regelfall aus der Literatur bekannt, kann jedoch auch leicht im Labor über die Bestimmung der Sättigungskonzentration ermittelt werden.)

Kennt man die Konstante, so genügt zur Bestimmung des Wassergehalts die Messung des Wasserdampf-Partialdrucks. Auch diese Aufgabe übernimmt der Aluminiumoxid-Sensor zuverlässig.

Das Taupunktmessgerät MMS35 gibt es als Laborgerät, als batteriebetriebenes, leicht tragbares System sogar mit integrierter Probenentnahme für Messungen unter besonders schwierigen Temperatur- und Druckbedingungen.

Der Weltmarktführer der industriellen Spuren-Feuchtemessung bietet allen Anwendern, die mit Ex-Risiken rechnen müssen, die Modelle des Typs MMS35 in der „IS“-Version als eigensichere und zugleich sehr preiswerte Hygrometer zur Messung der absoluten Feuchte in Ex-Bereichen. Je nach Messaufgabe steht gleich einem Baukastensystem eine passende Geräteversion zur Verfügung. Die Basistechnologie, die Geräteelektronik, ist jeweils identisch, aber die Geräteausstattung ist an spezielle Anforderungen der Industrie in kostensparender Weise angepasst:

„IS“ steht für „Intrinsic Safety“ und bedeutet nichts anderes als Schutzart EEx ia IIC T4. Damit ist das Gerät auch bei möglichen Auftreten von zwei Fehlern (Schutzbezeichnung „ia“) noch (eigen)sicher. Die genannte Schutzart erlaubt den Geräteeinsatz in Zone 1, also den Einsatz unter den gefährlichsten Stoffen bzw. Bedingungen, die in der Industrie anzutreffen sind. Die kurzfristige Amortisation der Geräte, allein über eingesparte Energiekosten, erleichtert die Geräteinvestition, ganz zu schweigen von den „ersparten“ Kosten mangelhafter Produktchargen.

Als Sensor für das MMS35 ist der patentierte Aluminiumoxid-Feuchtemessfühler im Einsatz. Um die für industriellen Standard nötige Genauigkeit und Messsicherheit zu erreichen, entwickelte David Chleck, einer der Gründer des Unternehmens, vor mehr als 35 Jahren diesen weltweit ersten Absolut-Feuchtefühler. Noch heute definiert der patentierte und weiterentwickelte Aluminiumoxidsenor die internationalen Standards der Spurenfeuchtemessung. Die Kalibrierung erfolgt auf dem weltweit einzigen kommerziellen Kalibrierstand für den tiefen Spurenfeuchtebereich. Das Kalibrierlabor ist nach der europäischen Norm ICLAB akkreditiert. Die mehr als zweihunderttausendfach bewährten Aluminiumoxidsensoren sind langzeitstabil. Ihr Einbau kann direkt im Prozessstrom oder im Bypass erfolgen. Die Messung ist temperatur-, druck- und strömungsunabhängig. Die Messfühler sind robuste Sensoren mit hervorragender Empfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit.

MMS35 und MMS35 IS ermöglichen eine einfache, leicht zu installierende online-Messung ebenso wie die Stichprobenmessung. Der dynamische Bereich ist sehr groß und erlaubt Messungen von -110 °C bis + 60 °C Taupunkt, entsprechend einem Feuchtegehalt von 1 ppbv bis 200.000 ppmv bei atmosphärischem Druck. Gemessen werden kann im Druckbereich von 1 bis 350 bar. Die 16-stellige alphanumerische LCD-Anzeige mit Hintergrundbeleuchtung ist auch unter schlechteren Lichtbedingungen gut lesbar. Ein übersichtliches Folientastaturfeld dient der Programmierung und Messwertabfrage. Das Display zeigt die Feuchtewerte direkt als °C Taupunkt oder ppm an. Die Bedienung über je vier Steuer- und Modus-Tasten ist denkbar einfach.

Potentialfreie Analogausgänge und ein intelligentes System zur Selbstüberwachung sind in den Standardgeräten serienmäßig. Akkus ermöglichen beim tragbaren Gerät mit integriertem Probenentnahmesystem eine bis zu 120-stündige, völlig unabhängige Stichprobenmessung vor Ort (auch im Ex-Bereich). Die Daten lassen sich dort in einem Datenlogger abspeichern und später in sicherem Bereich problemlos austesten.

Auf Wunsch sind für die Standard-Geräte der MMS35-Baureihe frei programmierbare Alarmkontakte sowie das vom Hersteller entwickelte Trendanalyseprogramm zur superschnellen Ermittlung des Messwertes bei Stichprobenmessungen erhältlich. Mit Hilfe dieser Software wird der Wechsel der Feuchtekonzentration zum Beispiel von Umgebungsluft in den tiefen Spurenbereich innerhalb weniger Minuten statt Stunden zuverlässig angezeigt. Diese Option ist auch für die IS-Geräte erhältlich.

Die Feuchteanalysatoren eignen sich bestens auch zur Nachrüstung. Der Analysator warnt vor erhöhten Feuchtekonzentrationen, bevor es zu unerwünschten Querreaktionen und Störungen kommt.

Fazit: Die MMS35 Analysatoren sind zuverlässige und vergleichsweise enorm preiswerte Taupunktüberwachungssysteme für viele Anwendungen. Die Geräte arbeiten mit dem äußerst langzeitstabilen Absolut-Feuchtesensor.

Al2O3-Sensoren bestehen grundsätzlich aus einem Aluminiumstreifen, der in einem Spezialverfahren anodisch oxidiert. Es entsteht eine poröse Oxidschicht, die mit einer definierten, sehr dünnen Goldschicht bedampft wird. Die Aluminiumunterlage und die Goldauflage bilden die beiden Elektroden des eigentlichen Aluminiumoxidkondensators. Wasserdampf durchdringt schnell die Goldschicht und lagert sich an die Porenwände der Oxidschicht an. Die Anzahl der in der Oxidstruktur adsorbierten Wassermoleküle

bestimmt die Leitfähigkeit der Porenwände. Jeder Porenwand-Widerstandswert liefert einen bestimmten Wert der elektrischen Impedanz, der wiederum in einem Verhältnis zum Wasserdampfdruck steht.

Diese Dünnschicht-Sensoren wurden für den Einsatz direkt im Prozess entwickelt und finden ihre Anwendung in Flüssigkeiten und in Gasen. Die Messfühler zählen zu den zuverlässigsten Feuchtesensoren unter Prozessbedingungen überhaupt.

Weitere Informationen A QE 600