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Allgemeines über die Luftfeuchtigkeit
Ausser den bekannten Anteilen der Luft (78 Vol.% Stickstoff, 21 Vol.% Sauerstoff, 1 Vol.% Edelgase) enthält die Luft mehr oder weniger viel Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf. Dieser dampfförmige Wassergehalt in der Luft kann als absolute und relative Feuchtigkeit definiert werden. Die absolute Feuchtigkeit ist die Wasserdampfmenge, welche in 1 m3 Luft enthalten ist. Die relative Luftfeuchtigkeit ist der Quotient aus dem Teildruck des Wasserdampfes und seinem Sättigungsdruck. Diese relative Feuchtigkeit, die in der Praxis die weitaus grössere Rolle spielt, wird oft auch in % angegeben und kann mit einem Feuchtesensor gemessen werden.
Der Feuchtesensor als elektronische Einheit auf kapazitiver Basis
Wird zwischen den Platten eines Kondensators eine elektrische Spannung angelegt, so baut sich innerhalb der Kondensatorplatten ein elektrisches Feld auf. Dieses elektrische Feld bewirkt eine Ansammlung positiv geladener Teilchen auf der einen und eine Häufung negativ geladener Teilchen auf der anderen Plattenseite. Diese Polarisierung wiederum führt zu einer Ausrichtung der Elementarteilchen im Bereich innerhalb der beiden Platten, den man auch als Dielektrikum bezeichnet. Da sich jedoch immer nur ungleichnamige Pole anziehen, legen sich die Dipolteilchen im Dielektrikum mit ihrer negativen Seite an die positiv geladene Kondensatorplatte. Umgekehrt liegen die positiv geladenen Dipolseiten an der negativ geladenen Plattenseite des Kondensators. Durch die Ausrichtung der Dipolteilchen entsteht ein elektrisches Feld innerhalb der Kondensatorplatten, das jedoch dem äußeren elektrischen Feld durch die Spannung an den Kondensatorplatten entgegen gerichtet ist. Es kommt damit zu einer Schwächung des resultierenden elektrischen Gesamtfeldes.
Eine massgebliche Kenngrösse für die Energie des elektrischen Feldes ist die Permittivität ε (Dielektrizitätskonstante ε).
Die Permittivität setzt sich zusammen aus dem Produkt elektrische Feldkonstante mal relative Permittivität.
ε = ε0 x εr
Die elektrische Feldkonstante ε0 ist eine stoffunabhängige Konstante und beträgt im Vakuum 8,854*10-12As/Vm.
Die relative Permittivität εr ist dagegen eine dimensionslose, stoffabhängige Konstante und wird gebildet aus dem Verhältnis ε/ε0
Für Wasser beträgt diese Konstante 80 (bei 20°C).
Da eine unterschiedlich hohe Feuchtigkeit die relative Permittivität εr beeinflusst, kann jede Änderung von εr als Referenz für einen Feuchtesensor dienen.
Feuchtemessung mit Mikrowellen
Der Feuchtegehalt in einem Schüttgut kann beispielsweise gut mit Mikrowellen gemessen werden. Die durchdringenden Mikrowellen bringen die freien Wassermoleküle der Feuchtigkeit zum Rotieren. Dieser Vorgang führt zu einer Phasenverschiebung, wodurch die Mikrowelle abgebremst und geschwächt wird. Sowohl die Phasenverschiebung als auch die Dämpfung werden gemessen. Da beide Effekte proportional zum Wassergehalt sind, kann damit auch der Feuchtegehalt sehr genau bestimmt werden.
Feuchtemessung mit Radiometrie
Das Messprinzip beruht auf dem abbremsenden Effekt beim Zusammenstoss von schnellen Neutronen auf Wasserstoffatome oder auf Wassermoleküle. Wenn viele solcher schnellen Neutronen mit Wassermolekülen zusammenstossen, entsteht eine Wolke abgebremster Neutronen, wobei deren Anzahl proportional zum Wassergehalt ist. Damit kann die Anzahl der langsamen Neutronen als Referenz für den Feuchtegehalt dienen.
Vorteilhaft bei dieser Methode ist, dass die ausgesendeten Neutronen von allen anderen Stoffen nur unwesentlich beeinflusst werden.
Fazit
Ein Feuchtesensor kann je nach Auslegung sehr vielfältig zur Bestimmung von Luftfeuchtigkeit und Feuchtegrad von Schütt- und anderen Gütern verwendet werden. Sein Verwendungszweck ist sehr breit gefächert und reicht von der Regulierung des Raumklimas bis zur Verwendung in beispielsweise einer Radiosonde zur Messung der Luftfeuchtigkeit in der oberen Atmosphäre.