Feuchtebestimmer

Werte für den Feuchte- bzw. Wassergehalt können entweder absolut in Gramm oder Liter oder relativ in Prozent bezogen auf die Masse oder das Volumen angegeben werden. Bei den relativen Werten ist es wichtig, darauf zu achten, ob als Ausgangswert für die Prozentangabe die feuchte oder die trockene Substanz herangezogen wurde. Je höher der Wasseranteil ist, desto stärker weichen die Angaben bei unterschiedlichen Bezugsgrößen voneinander ab.

Beispiele für absolute und relative Feuchteangaben

Wenn die Feuchte durch Trocknung von Proben ermittelt wird, kann sowohl die absolute Feuchte, als auch die relativen Feuchteangaben mit Hilfe der in der Tabelle blau dargestellten Formeln ermittelt werden. Bei einigen Trocknungswaagen, die als Feuchtebestimmer genutzt werden, ist nicht wählbar, ob der Wert der relativen Feuchte auf den trockenen oder auf den feuchten Zustand bezogen wird. Beide Werte können aber leicht aus Feucht- und Trockenmasse berechnet werden.

Besonderheit bei gasförmigen Substanzen
Bei gasförmigen Substanzen ist die Menge an Wasserdampf die aufgenommen werden kann von der Temperatur und auch vom Druck abhängig. Für Gase wird die relative Feuchte deshalb nicht bezogen auf die Masse oder das Volumen angegeben, sondern auf die bei den aktuellen Temperatur- und Druckverhältnissen erreichbare Sättigungsmenge an Wasserdampf. Bei bekannten Temperatur- und Druckwerten kann aus der relativen Feuchte von Gasen oder Gasgemischen auch die absolute Feuchte bestimmt werden.

Viele Materialien enthalten bei normalen Umgebungsbedingungen Wasser und können zusätzlich bestimmte Mengen Feuchtigkeit aufnehmen und mehr oder weniger schnell auch wieder an die Umgebung abgeben. Da der Wassergehalt für viele physikalische, chemische und biologische Abläufe eine wichtige Rolle spielt, und dadurch die Haltbarkeit und Verarbeitbarkeit von Substanzen bestimmt, wird er häufig mit Hilfe elektronischer Feuchtebestimmer überwacht. Die elektronischen Feuchtebestimmer haben gegenüber der Darrmethode den Vorteil, dass mit ihnen vor Ort, sehr schnell und oft auch zerstörungsfrei bzw. zerstörungsarm gemessen werden kann. Die verschiedenen Typen unterscheiden sich unter anderem hinsichtlich des Messprinzips. Meist hat das verwendete Messprinzip entscheidenden Einfluss auf die Eignung für bestimmte Anwendungen.

Wegen der Bedeutung der Materialfeuchte für die Verwendbarkeit und Dauerhaftigkeit von Materialien wurde eine Vielzahl von Messgeräten für unterschiedliche Aufgabenstellungen und Einsatzbedingungen entwickelt. Bevor über die Anschaffung eines bestimmtes Gerätetyps entschieden wird, sollte feststehen, welche Anforderungen der Feuchtebestimmer zwingend erfüllen muss. Dazu gehört beispielsweise die Klärung, ob das Gerät für die vorgesehene Anwendung geeicht sein muss.

Hier eine Auflistung wichtiger Kriterien, die berücksichtigt werden sollten:

• Geeicht oder ungeeicht
• Genauigkeit für die vorgesehenen Materialien
• Justagemöglichkeit
• Messprinzip und dessen Einschränkungen
• Messdauer pro Messwert
• Messung vor Ort oder im Labor
• Untersuchung von Proben oder am ungestörten Material
• zerstörungsarme/ zerstörungsfreie Messung
• Wiederholbarkeit der Messung
• kontinuierliche Messung an bewegtem Material
• Anpassung an spezifische Materialien und Umgebungsbedingungen
• Berechnungsfunktionen
• Zusätzliche Messfunktionen
• Handhabung des Gerätes
• Speicherung der Messdaten
• Schnittstellen zur Datenübertragung
• Verfügbares Zubehör

Für den Einsatz an wechselnden Orten, für verschiedene Materialtypen oder bei Materialien, deren genaue Zusammensetzung nicht bekannt ist, empfiehlt es sich oft, mehrere Feuchtebestimmer mit unterschiedlichen Messprinzipien oder ein Kombigerät mit mehreren Messprinzipien einzusetzen. Beispielsweise kann bei Feuchteschäden an Gebäuden oder Lagergut mit einem nach der Widerstandsmethode arbeitenden Gerät die Ausbreitung der Durchfeuchtung bestimmt werden. Anschließend können Proben an repräsentativen Stellen entnommen und deren Feuchtegehalt mit einer Feuchtebestimmerwaage bestimmt werden.

In den nachfolgenden Abschnitten werden die Vorzüge und die Einschränkungen der häufigsten gebräuchlichen Methoden zur Feuchtebestimmung kurz erläutert, um deren Eignung und aber auch Grenzen für bestimmte Anwendungsfälle zu zeigen.

Feuchtewaagen
Feuchtewaagen vereinfachen die Durchführung der Darrmethode, sind aber häufig auf sehr kleine Probenmengen beschränkt. Diese Feuchtebestimmer kombinieren Präzisionswaage und Trockenkammer in einem Gerät. Proben des zu prüfenden Materials werden getrocknet, bis kein Gewichtsverlust mehr stattfindet. Die Gewichtsdifferenz entspricht bei den meisten Materialien und korrekter Durchführung dem Anteil des verdunsteten Wassers.

Da die Probenmenge in Feuchtewaagen üblicherweise sehr gering ist, verkürzt sich in den meisten Fällen die Trocknungsdauer gegenüber der Trocknung im Darrofen. Zudem wird automatisch gewogen und es können verschiedene Trocknungsprogramme gewählt werden, die nach dem Start automatisch ablaufen. Die Geräte ermitteln meist nicht nur Anfangs- und Endgewicht, sie berechnen daraus auch den Feuchtegehalt der untersuchten Probe.

Kapazitive bzw. dielektrische Feuchtebestimmer
Materialien die Feuchte aufnehmen können, verändern ihre Eigenschaften im elektrischen Feld in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt. Feuchtebestimmer die die Kapazität bestimmen, arbeiten schnell und zerstörungsfrei. Die Messungen können an gleicher oder benachbarter Stelle beliebig oft wiederholt werden. Messtiefe und Mesergebnisse werden sowohl von der Art als auch von der Struktur des Materials beeinflusst. Sie können sowohl durch Fremdmaterialien als auch durch eingelagerte Salze im Messbereich verändert werden. Für bekannte Materialien und definierte Umgebungsbedingungen sind zuverlässige Messergebnisse möglich. Bei anderen Bedingungen sind diese Geräte gut zur schnellen Ermittlung und Eingrenzung von Bereichen mit erhöhter Feuchte einsetzbar.

Feuchtebestimmer mit Widerstandsmessung
Mit dem Feuchtegehalt steigt bzw. sinkt auch der elektrische Widerstand bzw. die elektrische Leitfähigkeit. Da diese elektrischen Werte jedoch zusätzlich von der Temperatur und der Materialzusammensetzung beeinflusst werden, muss bei der Anwendung dieser Methode auf einige wichtige Punkte geachtet werden. Der Einfluss durch Temperaturunterschiede kann bei einigen Modellen über Sensoren, spezielle Bauteile oder manuelle Einstellungen kompensiert werden. Hinterlegte Referenzlinien für Materialien oder Materialgruppen erlauben eine höhere Genauigkeit für die wählbaren Materialien. Nur wenige Feuchtebestimmer mit Widerstandsmessung bieten aber die Möglichkeit, eigene Referenzlinien zu hinterlegen.

Feuchtebestimmer mit Widerstands- oder Leitfähigkeitsmessung bieten schnelle Ergebnisse bei zerstörungsarmer Messung. Die Werte erlauben es, Feuchteabweichungen festzustellen und deren Umfang einzugrenzen. Teilisolierte Messfühler eignen sich dazu, Werte in verschiedenen Tiefen zu ermitteln. Dies ermöglicht Rückschlüsse darauf, ob innen eine höhere Feuchte vorliegt als außen. Das erleichtert die Beurteilung des Austrocknungsverhaltens und der Feuchteursachen.

Korrespondierende Luftfeuchte (KRL-Methode) zur Feuchtebestimmung
Die Materialfeuchte ist bei vielen Materialien von der Temperatur und Luftfeuchte der Umgebung abhängig. Kann das Material Feuchte aus der Luft aufnehmen und wieder an sie abgeben, stellt sich nach einiger Zeit für ein bestimmtes Umgebungsklima eine bestimmte Materialfeuchte als Ausgleichsfeuchte ein. Das heißt, das feuchte Materialien bei trockener Umgebung Feuchte abgeben und umgekehrt trockene Materialien in feuchter Umgebung Feuchte aufnehmen. Mit Messungen nach der KRL-Methode kann festgestellt werden, ob feucht eingebrachte Materialien bereits ihre Ausgleichsfeuchte erreicht haben und ob Materialien oder Bauteile durch andere Einflüsse als das Umgebungsklima erhöhte Feuchtewerte aufweisen. Die Messung ist wiederholbar, so dass Aussagen zum Verlauf der Trocknung bzw. Feuchteaufnahme möglich sind.

Die Bestimmung der korrespondierenden Luftfeuchte kann mit Hilfe von Materialproben, in Schüttgütern, sowie in Bohrungen oder an der Materialoberfläche durchgeführt werden. Proben werden mit dem Sensor in luftdichte Behälter oder Folienbeutel eingebracht. Auch bei Messungen in Bohrlöchern oder an Oberflächen muss durch luftdichtes Abkleben verhindert werden, dass ein Luftwechsel stattfindet. Der Industrieverband Klebstoffe e.V. beschreibt im TKB Bericht 2 „Die KRL-Methode zur Bestimmung der Feuchte in Estrichen“, das Vorgehen mit Probeentnahme bei feucht eingebrachten Estrichen analog zur Kalziumkarbidmethode. Bei Estrichen ist das ermitteln der Restfeuchte vor Fliesen- oder Bodenbelagsarbeiten vorgeschrieben, damit es durch späteren Feuchteausgleich nicht zu Schäden am Fußbodenbelag kommt.

Liegen die Feuchtewerte des Materials oberhalb derer der charakteristischen Ausgleichsfeuchte, steigt die relative Luftfeuchte der eingeschlossenen Luft solange bis das Material keine Feuchte mehr an sie abgibt. Ist das Material hingegen trockener ist als bei den herrschenden Umgebungsbedingungen üblich, nimmt es Feuchte aus der eingeschlossenen Luft auf und deren Luftfeuchte sinkt.

Feuchtebestimmer mit Mikrowellenverfahren
Mikrowellen bestimmter Wellenlänge werden durch Wassermoleküle beeinflusst und umgekehrt. Sie lassen sich nicht nur zum Erwärmen von wasserhaltigen Speisen, sondern auch zur gezielten Feuchtebestimmung einsetzen. Die Mikrowellen, die auf Wassermoleküle treffen, werden abgebremst, gedämpft und zum Teil reflektiert. Diese Veränderungen sind messbar. Der Wassergehalt elektrisch nicht leitfähiger Substanzen kann dadurch präzise, schnell und zerstörungsfrei ermittelt werden. Je nach Anzahl der Wassermoleküle in der untersuchten Substanz werden Resonanzfrequenz, Durchlässigkeit und Reflexion der Mikrowellenstrahlung höher oder niedriger. Die Stärke der Veränderung ist aber nicht nur vom Wasseranteil abhängig, sondern auch von anderen Einflüssen. Deshalb muss ein Feuchtebestimmer der auf der Basis von Mikrowellentechnik arbeitet durch Referenzmessungen auf das Material und die konkreten Messbedingungen abgestimmt werden.

Im Allgemeinen werden nur geringe Mikrowellenleistungen zur Messung benötigt, so dass das Material durch die Messung kaum erwärmt oder in anderer Weise beeinflusst wird. Die Messung kann an gleicher Position beliebig oft wiederholt werde, liefert sehr schnelle Ergebnisse und funktioniert auch bei bewegtem Messgut. Deshalb werden Feuchtebestimmer mit Mikrowellentechnik häufig für Inline Feuchtemessungen in Fertigungs-, Trocknungs- und Einlagerungsprozessen verwendet. Für sensible Produkte sind sehr kurze Messintervalle in Millisekunden und Genauigkeiten von 0,1 Feuchteprozent möglich. Durch analoge oder Schaltschnittstellen kann sichergestellt werden, dass bei Feuchteabweichungen sehr schnell gegengesteuert wird.

Kalibrieren ist das Überprüfen der Genauigkeit von Messgeräten unter Einhaltung festgelegter Abläufe und Bedingungen. Durch die Kalibrierung soll sichergestellt werden, dass die mit den Geräten ermittelten Werte korrekt sind. Vor allem dort, wo die Messwerte Auswirkungen auf die Verwendbarkeit eines Materials oder Produktes haben, sind oft kalibrierte Messmittel vorgeschrieben.

Wegen der Art des Messverfahrens müssen bei einigen Typen der Feuchtebestimmer die eigentlichen Messwerte über nichtlineare Materialkennlinien bewertet werden. Diese Geräte sollten immer für die Materialien und Feuchtigkeitsbereiche kalibriert werden, für die sie eingesetzt werden sollen. Dabei kann unabhängig vom Material die Darrtrocknung als Referenzverfahren dienen.

Bei Feuchtewaagen sind präzise Ergebnisse unter anderem davon abhängig, ob die Genauigkeit der Wiegeergebnisse innerhalb des Messbereichs in dem sie verwendet werden gleich ist. Bei diesen Geräten wird deshalb bei der Kalibrierung mit verschiedenen Präzisionsgewichten geprüft, wie genau sie wiegen. Für bestimmte Materialien kann es zudem wichtig sein, dass während der Trocknung die festgelegten Höchsttemperaturen nicht überschritten werden. Anderenfalls kann das Ergebnis durch chemische Umwandlungen des Materials verfälscht werden. Werden mit der Feuchtebestimmer Waage regelmäßig hitzeempfindliche Materialien wie beispielsweise Gips, Kunststoffe oder Holzwerkstoffe getrocknet, sollten auch die Temperaturwerte kalibriert werden.

Werden Feuchtebestimmer im Handel, beispielsweise beim Ankauf von Getreide, zur Preisbestimmung eingesetzt, müssen sie geeicht sein. Auch die Eichung ist eine Kontrolle der Messgenauigkeit. Im Unterschied zur Kalibrierung wird die Eichung aber von der Eichbehörde durchgeführt und überwacht. Die Eichfrist für Getreidefeuchtemessgeräte beträgt bei Geräten mit Spektralmesstechnik ein Jahr, bei Geräten mit anderer Messtechnik zwei Jahre.

Wenn Feuchtemessungen an geringen Probenmengen durchgeführt werden sollen, bieten Feuchtewaagen erhebliche Vorteile gegenüber anderen Messgeräten. Die kompakten Waagen, bei denen das Probenmaterial in einer Kammer durch Erwärmung getrocknet und dabei kontinuierlich gewogen wird, arbeiten materialunabhängig. Es müssen also keine materialspezifischen Kennlinien für die Auswertung der Ergebnisse berücksichtigt werden.

Lediglich die zulässigen Temperaturen für die Trocknung müssen berücksichtigt und an der Feuchtebestimmer Waage korrekt eingestellt werden. Materialien, für die Temperaturen für die Darrtrocknung in Normen festgelegt sind, sollten auch in der Feuchtewaage bei dieser Temperatur getrocknet werden. Bei einigen Materialien besteht sonst die Gefahr, dass nicht nur freies Wasser aus den Poren, sondern auch chemisch gebundenes Wasser gelöst und verdunstet wird.

Die Materialfeuchtigkeit ergibt sich aus der Massendifferenz zwischen feuchter und trockener Probe. Dadurch ist das Ergebnis einfach nachvollziehbar und kann leicht überprüft werden. Es muss aber unbedingt darauf geachtet werden, dass die angegebene relative Materialfeuchte in Prozent sowohl auf das Trockengewicht als auch auf das Gesamtgewicht der feuchten Probe bezogen sein kann. Bei einigen Feuchtebestimmer Waagen ist wählbar, in welcher von beiden Varianten das Ergebnis angezeigt wird.

Bietet eine Feuchtebestimmer Waage nur eine Anzeigemöglichkeit für das Ergebnis, kann einfach geprüft werden, ob der Prozentwert auf die Trocken- oder die Gesamtmasse bezogen ist. Nach dem Trocknen einer mit Wasser gefüllten Probenschale muss das Ergebnis für den Feuchtegehalt entweder bei etwa 100 Prozent oder weit darüber liegen. Der Wert nahe 100 Prozent steht für die Feuchtigkeit bezogen auf die Gesamtmasse der feuchten Probe.

Durch die schnelle Trocknung der geringen Probenmengen und die parallel stattfindende automatische Wiegung ist die Feuchtebestimmung mit der Feuchtebestimmer Waage schneller als die klassische Darrtrocknung im Darrofen. Die Geräte beanspruchen nur wenig Platz und sind einfach zu bedienen. Sie eignen sich dadurch nicht nur für die Feuchtebestimmung im Labor, sondern auch hervorragend für stichprobenartige Kontrollen an Trocknungsanlagen, im Wareneingang, im Lager und in der Produktion.