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Feuchte und Thermisches Zustandsverhalten

Arbeitsgruppe 3.41

Sicherung und Rückführung von Gasfeuchtemessungen

Die nationale Gasfeuchteskala wird durch mehrere nationale Normale dargestellt. Der abzubildende 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 abdecken. Die dafür eingesetzten Feuchtegeneratoren arbeiten nach unter-schiedlichen Prinzipien. Ebenso sind verschiedene Prinzipien je nach Einsatzzweck des Generators (transportabel oder stationär) gebräuchlich. Im Folgenden werden die an der PTB verwendeten Feuchtegeneratoren zur Darstellung der nationalen Gasfeuchteskala kurz vorgestellt.

  • Das Nationale Normal im Spurenfeuchte-Bereich ist ein coulometrisch arbeitender Spurenfeuchtegenerator [1]. 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 Stickstoff mit Spurengehalten von Wasserstoff und Sauerstoff) 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 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 [2] wird der Sättigungsdampfdruck in reiner Phase berechnet. Durch Multiplikation mit dem Enhancement-Faktor nach Greenspan [3] ergibt sich der Sättigungsdampfdruck der feuchten Luft. Diese Luft wird nun an einem Ventil bis auf Umgebungsdruck entspannt. Dabei reduziert sich der Partialdruck 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 Umgebungsdrucks zurückführen. Durch Variation der Parameter Sättigertemperatur und -druck lässt sich so ein weiter Bereich an Gasfeuchte einstellen.

  • Ein weiterer Generatortyp stellt der Permeations-Generator dar. Bei diesem wird die nur von der Temperatur und einer Materialkonstante abhängige Permeation von Wassermolekülen durch bestimmte Kunststoffmaterialien zur Erzeugung eines definierten Wassergehalts im Gasstrom ausgenutzt.

  • Darüber hinaus gibt es noch den sog. Gasmisch-Generator. Hier wird aus einem Gas von bekannter Feuchte durch Zumischen von trockenem Gas mit bekannten Volumenstrom oft auch über mehrere Stufen ein Gas mit niedriger 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.

 

Im Folgenden ist eine Auswahl wichtiger Key-Comparisons mit Teilnahme der PTB aufgeführt. Weitere Informationen sowie Abschlussberichte zu den einzelnen Vergleichen sind in der Opens external link in new windowKCDB des BIPM zu finden:

  • EURAMET.T-K6 (EURAMET P621): Comparison of the realizations of local dew/frost-point temperature scales in the range -50 °C to +20 °C
  • EURAMET.T-K8 (EURAMET P717): Comparison in dew-point temperature (high range)
  • CCT-K8: Comparison of realizations of local scales of dew-point temperature of humid gas - Dew-point Temperature: 30 °C to 95 °C
  • EURAMET P1002: International comparability in measurements of trace water vapour
  • EURAMET P1061: Comparison of air temperature calibrations


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 bei dieser Temperatur, definiert ist. Ein Überblick zu den verschiedenen Hygrometern und deren Wirkungsprinzip ist unter folgendem Link zu finden Opens internal link in new windowHygrometer und deren Wirkungsprinzip.

[1] Mackrodt, P., Int. J. Thermophys. 2012, 33: 1520-1535. DOI 10.1007/s10765-012-1348-0

[2] Sonntag, D., Zeitschrift für Meteorologie. 1990, 40 (5) (1990), 340-344.

[3] Greenspan, L., J. Res. Natl. Bur. Stand., Sect. A. 1976, No. 1 (Jan-Feb), 41-44.