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Physikalisch-Technische Bundesanstalt

FachabteilungenAbt. 3 Chemische Physik und Explosionsschutz3.2 Gasanalytik und Zustandsverhalten3.21 Feuchte und Thermisches Zustandsverhalten > Sicherung und Rückführung von Gasfeuchtemessungen
Feuchte
Arbeitsgruppe 3.21

Sicherung und Rückführung von Gasfeuchtemessungen

Das Nationale Normal der Gasfeuchte wird mit nach unterschiedlichen Prinzipien arbeitenden Feuchtegeneratoren dargestellt. Der zu überstreichende Bereich von der extremen Spurenfeuchte (Volumenkonzentration Wasser kleiner als 20 nl/l) bis zur hohen Feuchte (Volumenanteil Wasserdampf deutlich über 60 %) lässt sich nicht mit einem einzigen Feuchtegenerator allein erzeugen. Ebenso sind verschiedene Prinzipien je nach Einsatzzweck des Generators (transportabel oder stationär etc.) gebräuchlich. Im folgenden werden die zur Darstellung des Nationalen Normals der Gasfeuchte in der PTB verwendeten Feuchtegeneratoren kurz vorgestellt.

  • Das Nationale Normal im Spurenfeuchte-Bereich ist ein coulometrisch arbeitender Spurenfeuchtegenerator. Er basiert auf folgenden Teilprozessen:
    - Generierung eines Nullgas-Stromes von UHP-Stickstoff (Restfeuchtegehalt ca. 0,5 nl/l Volumenanteil Wasserdampf).
    - Generierung einer definierten Menge Wasserstoff und Sauerstoff in einem Teilgasstrom des Nullgases mittels Wasserelektrolyse gemäß FARADAYschem Gesetz,
    - Nachtrocknung des Elektrolyse-Teilgasstromes (nun bestehend aus N2 mit Spurengehalten von H2 und O2) und anschließende katalytische Rekombination des Wasserstoffs und Sauerstoffs zu Wasser,
    - Wiedervermischung des nun eine definierte Menge Wasserdampf enthaltenen Teilstromes mit dem Nullgas-Hauptstrom.
    Der Wasserdampfgehalt des Generatorgases ist damit fundamental bestimmt durch den Elektrolyse-Strom und den Stickstoff-Fluss und somit rückgeführt auf die SI-Einheiten Kilogramm, Sekunde, Ampere und Mol.

  • Im mittleren und hohen Feuchtebereich wird ein Zwei-Druck-Feuchtegenerator verwendet, bei dem die generierte Feuchte von der Gleichgewichtseinstellung auf der Basis der Dampfdruckgleichung des Wassers abhängt. Hier dient öl- und staubfrei gefilterte komprimierte Luft aus einem Kolbenkompressor im Druckbereich bis 15 bar als Grundlage. Diese Luft strömt durch einen Befeuchter mit Wasser bei einer bestimmten Temperatur und wird somit entsprechend der Dampfdruckgleichung bis nahe dem Sättigungszustand bei der gegebenen Temperatur gesättigt. Anschließend wird diese Luft in einen so genannten Sättiger geleitet. Dies ist ein aufwändig konstruierter Metallblock mit einer großen Oberfläche im Innern, der in einem Präzisionsthermostat auf einer exakt definierten Temperatur gehalten wird, die um einige Grad unter der Temperatur des Befeuchters liegt. Durch Abkühlung der Luft auf die Temperatur des Sättigers an der großen inneren Oberfläche kondensiert überschüssiges Wasser aus. Am Ausgang des Sättigers liegt daher vollständig gesättigte Luft bezogen auf die Temperatur des Sättigers vor. Aus der Dampfdruckgleichung nach Sonntag (siehe Literaturangaben) ist der Sättigungsdampfdruck in reiner Phase zu berechnen. Durch Multiplikation mit dem Enhancement-Faktors nach Greenspan ergibt sich der Sättigungsdampfdruck der feuchten Luft. Diese Luft wird nun an einem Ventil bis auf Umgebungsdruck entspannt. Dabei reduziert sich der Partialdampfdruck entsprechend dem Quotienten aus Umgebungsdruck und Sättigerdruck. Unter der Voraussetzung der Gültigkeit der Dampfdruckgleichung lässt sich somit der Partialdampfdruck und somit die absolute Feuchte auf die Messung der Sättigertemperatur sowie des Sättiger- und des Umgebungsdruckes zurückführen. Durch Variation der Parameter Sättigertemperatur und -druck lässt sich so ein weiter Bereich an Gasfeuchte einstellen.

  • Als weitere Generatortypen sind der Permeations-Generator und der Gasmisch-Generator zu nennen. Bei ersterem wird die nur von der Temperatur und einer Materialkonstante anhängige Permeation von Wassermolekülen durch bestimmte Kunststoffmaterialien ausgenutzt, beim zweiten Typ wird aus einem Gas von bekannter Feuchte durch Zumischen von trockenem Gas mit bekanntem Volumenstrom oft auch über mehrere Stufen ein Gas mit niedrigerer Feuchte erzeugt.

Die nationalen Normale der Gasfeuchte der PTB werden in regelmäßigen Abständen mit denen von anderen Staatsinstituten auf europäischer Ebene im Rahmen von EURAMET und auf weltweiter Ebene im Rahmen von Key-Comparisons des CCT im BIPM mit Hilfe von Transferstandards verglichen. Auf diese Weise wird eine gegenseitige Äquivalenz der Feuchteskalen im Rahmen der jeweiligen Messunsicherheit sichergestellt.

Der von den Normal-Generatoren gelieferte Feuchtgasstrom wird direkt zur Rückführung von Messgeräten der absoluten Feuchte (Taupunktspiegel- Hygrometer, Spektrometer etc. ) verwendet. Relativ anzeigende Sensoren werden in einer speziellen Thermokammer auf der erforderlichen Messtemperatur gehalten, durch die der Bezugswert der relativen Feuchte, der Sättigungszustand definiert ist.




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Anschrift Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Arbeitsgruppe 3.21
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