Materialfeuchtemessgerät

Die Materialfeuchtigkeit hat bei vielen Produkten große Auswirkungen auf Nutzbarkeit und Dauerhaftigkeit. Bei Lebensmitteln beeinflusst der Wassergehalt u.a. den Erntezeitpunkt und die Lagerfähigkeit, bei Brennmaterial die Energieausbeute und den Schadstoffausstoß, bei Baustoffen das Quell- und Schwindverhalten und den Wärmedämmwert. Die Besiedlung von Materialien mit Bakterien oder Pilzen ist nur bei ausreichend hoher Feuchtigkeit möglich, kann also durch das Unterschreiten der Grenzwerte verhindert werden. Gibt ein Materialfeuchtemessgerät die Materialfeuchte in Prozent an, kann die Wassermenge auf die Trockenmasse oder auf die Feuchtmasse bezogen sein. Diese Unterscheidung ist sehr wichtig für den Vergleich der Messergebnisse. Je größer der Wasseranteil, desto höher ist der Unterschied zwischen den auf Trockenmasse und den auf Feuchtmasse bezogenen Werten.
Tabelle 1 Relative Materialfeuchte – Vergleich Feuchtegehalt und Feuchteanteil

Zunächst kann zwischen direkten und indirekten Materialfeuchtemessungen unterschieden werden. Direkte Methoden geben ohne weitere Vergleiche die Materialfeuchtigkeit über die Wassermenge quantitativ an. Die Darr-Methode und die Kalziumkarbid-Methode sind genormte, direkte Methoden. Die indirekten Verfahren bestimmen zunächst physikalische Eigenschaften des Materials, die mit der Materialfeuchte in Zusammenhang stehen. Um relativ genaue Werte für die Materialfeuchte zu erhalten, muss materialspezifisch kalibriert bzw. umgerechnet werden. Wo dies nicht möglich oder zu aufwendig ist, können vergleichende Aussagen zum räumlichen bzw. zeitlichen Verlauf der Materialfeuchtigkeit gemacht werden. Wegen der schnellen, zerstörungsfreien Feststellung von Feuchteunterschieden eignen sich die Materialfeuchtemessgeräte mit indirekten Verfahren besonders für die Prozessüberwachung und -steuerung und die Eingrenzung von Bereichen mit hoher Feuchtigkeit.

Beim Materialfeuchtemessgerät kann zudem unterschieden werden in Messmethoden bei denen:

Bei der Darrmethode wird das zu untersuchenden Material so lange getrocknet, bis keine Gewichtsverringerung mehr auftritt. Der Gewichtsverlust entspricht dem verdunsteten Wasser. Aktuelle Materialfeuchtemessgeräte, die nach der Darrmethode arbeiten, bestehen aus Trockenkammer und Präzisionswaage in einem Gerät. Die meisten dieser Prüfgeräte sind auf sehr kleine Probenmengen ausgelegt, wodurch sich die Trocknungszeit erheblich verkürzt. Bei diesen Feuchtebestimmerwaagen kann die Trocknungstemperatur und die Aufheizgeschwindigkeit an das zu untersuchende Material angepasst werden. Zum Beispiel ist für Gips und Anhydrit festgelegt, dass die Trocknung bei 40°C durchzuführen ist, da bei höheren Temperaturen auch kristallin gebundenes Wasser abgegeben wird. Im Automatikmodus wird Beheizung automatisch beendet, wenn keine Gewichtsveränderung mehr gemessen wird. Zeigt das Prüfgerät die Materialfeuchte bezogen auf das Feuchtgewicht und man benötigt die Angabe bezogen auf das Trockengewicht, lässt sich der Wert aus dem Startgewicht und Trockengewicht berechnen (Siehe auch Tabelle 1 oben).

Bei der Kalziumkarbidmethode ist eine zerstörende Prüfmethode bei der die chemische Reaktion von Kalziumkarbid mit Wasser zur Messung des Wassergehalts genutzt wird. Dazu muss eine Probe des Materials entnommen und mit dem Kalziumkarbid zusammengeführt werden. Kalziumkarbid (bzw. Calciumcarbid) reagiert bei Kontakt mit Wasser zu Kalziumhydroxid und Acetylen. Wenn genug Kalziumkarbid verfügbar ist, wird alles verfügbare Wasser umgesetzt.

Lässt man die Reaktion in einem geschlossenen Gefäß ablaufen, dessen Innendruck gemessen werden kann, kann die Acetylenmenge aus dem Druckanstieg bestimmt werden. Aus der Acetylenmenge ergibt sich dann der Wassergehalt der Materialprobe.
In DIN 18560-1 (2015-11) „Estriche im Bauwesen - Teil 1: Allgemeine Anforderungen, Prüfung und Ausführung“ ist die Kalziumkarbidmethode zur Feuchtemessung vorgeschrieben und geregelt. Dort heißt es unter Punkt 6.4 Messung des Feuchtegehaltes:
„Die Messung des Feuchtegehaltes zur Beurteilung der Belegreife auf der Baustelle erfolgt über die Calciumcarbid-Methode ...
ANMERKUNG: Alternative Messmethoden (z. B. dielektrische Methoden) dienen ausschließlich zur Vorprüfung und zur Eingrenzung feuchter Flächen.“

Wegen der Normvorgaben, der Ausführbarkeit vor Ort und der relativ schnellen Ergebnisse ist ein Materialfeuchte Messgerät für die Kalziumkarbidmethode insbesondere für Estriche bekannt und verbreitet. Mit Verweis auf die Methode werden die Ergebnisse häufig als CM-% angegeben. Die Verlässlichkeit der Ergebnisse ist für Anhydritestriche bei korrekter Ausführung sehr hoch. Bei Zementestrichen kommt es wegen der heute verwendeten Zementsorten und geänderter Wasser/Zement-Werte zu Abweichungen von den mit der Darrmethode ermittelten Werten.

Das Verhalten von Materialien im elektrischen Feld ändert sich mit dem Feuchtegehalt. Messungen mit einem Materialfeuchtemessgerät nach dem kapazitiven Verfahren sind zerstörungsfrei und beliebig oft wiederholbar.

Die Messtiefe und Messwerte sind stark von der Art und Struktur des zu messenden Materials abhängig und können sowohl durch Salze als auch durch metallische Fremdkörper im Messbereich verfälscht werden. Für bekannte Materialien bei denen die Störgrößen ausgeschlossen sind und definierte Umgebungsbedingungen lassen sich verlässliche Werte ermitteln. Für andere Materialien ist das Verfahren zur schnellen Feststellung und Eingrenzung von Bereichen mit erhöhter Feuchtigkeit geeignet.

Bei Materialien die Feuchtigkeit aufnehmen können, steigt mit der Feuchte auch die elektrische Leitfähigkeit bzw. sinkt der elektrische Widerstand. Diese elektrischen Eigenschaften sind jedoch auch von der Temperatur, der Materialzusammensetzung und dem Vorhandensein gelöster Salze abhängig. Die Temperaturabhängigkeit kann bei einigen Prüfgeräten über Sensoren oder manuelle Einstellung kompensiert werden. Wegen der Materialabhängigkeit sind bei den meisten Geräten verschiedene Materialien bzw. Materialgruppen hinterlegt. Oft fehlen jedoch genaue Angaben z.B. zu Dichte und Zusammensetzung des Materials für die hinterlegte Umrechnungskurve. Einige Geräte haben die Möglichkeit, eigene Materialkurven zu hinterlegen.

Ein Materialfeuchte Messgerät mit der Widerstandsmethode liefert schnell und zerstörungsarm Ergebnisse, mit denen Feuchteabweichungen festgestellt und eingegrenzt werden können. Mit teilisolierten Sensornadeln kann in verschiedenen Tiefen gemessen und festgestellt werden, ob zum Beispiel innen eine höhere Feuchte als außen vorliegt. Daraus können neben der Feststellung einer eventuellen Gefährdung durch zu hohe Feuchte auch Rückschlüsse auf das Austrocknungsverhalten und die Feuchteursachen gezogen werden.

Die Materialfeuchte ist für die meisten Materialien kein fester Wert, sondern sie ist vom Umgebungsklima abhängig. Bei gleichbleibender Temperatur stellt sich zwischen der Materialfeuchte und der relativen Luftfeuchte der Umgebung ein Gleichgewicht ein. Das heißt, ein Material wird solange Feuchtigkeit aufnehmen oder abgeben, bis es mit der Feuchte der Umgebungsluft im Gleichgewicht ist. Diese Eigenschaft lässt sich zur Bestimmung der Materialfeuchtigkeit nutzen.

Man kann zur Messung der korrespondierenden Luftfeuchte Materialprobe und Sensor in einem luftdichten Gefäß oder Folienbeutel einschließen, den Sensor in abgedichtete Bohrlöcher, Rohrleitungen oder Behältern einbringen oder einen Bereich der Materialoberfläche und den Sensor mit einer luftdichten Folie abkleben. Ist die Materialfeuchte höher als die charakteristische Ausgleichsfeuchte, wird die relative Luftfeuchte der eingeschlossenen Luft ansteigen bis das Material keine weitere Feuchte an sie abgeben kann. Wenn das Material trockener ist als bei den Umgebungsbedingungen üblich, wird es Feuchte aus der eingeschlossenen Luft aufnehmen, wodurch deren Luftfeuchte sinkt.

Der Industrieverband Klebstoffe e.V. beschreibt im TKB Bericht 2 „Die KRL-Methode zur Bestimmung der Feuchte in Estrichen“, die Vorgehensweise mit Probeentnahme aus Estrichen analog zur Kalziumkarbidmethode. Bei Estrichen ist die ausreichende Trocknung vor dem Aufbringen des Oberbelages sehr wichtig, damit es nicht durch die Feuchte oder den Dampfdruck zu Schäden am Fußbodenbelag kommt.

Ein Materialfeuchtemessgerät, das mit einem Mikrowellenverfahren arbeitet, kann verschiedene Eigenschaften der Mikrowellen, die durch Wassermoleküle beeinflusst werden, zur Feuchtebestimmung nutzen. Schon mit schwachen Mikrowellenfeldern kann der Wasseranteil von nicht elektrisch leitenden Materialien sehr schnell, genau und zerstörungsfrei bestimmt werden. Die vom Gerät generierten Mikrowellen werden durch die Wassermoleküle im bestrahlten Material abgebremst, gedämpft und teilweise reflektiert. Sowohl die Reflexion, als auch die Frequenzänderung und Dämpfung der Mikrowellen können gemessen werden. Für viele Einsatzgebiete gibt es bereits abgestimmte und erprobte Systeme zur Messung der Materialfeuchtigkeit mit Mikrowellentechnik.

In Abhängigkeit von der Menge der Wassermoleküle im feuchten Materials ändern sich die Resonanzfrequenz, die Durchlässigkeit und das Reflexionsverhalten für Mikrowellenstrahlung mehr oder weniger stark. Da die Höhe dieser Änderungen aber nicht nur vom Wasseranteil beeinflusst wird, kann mit dem Mikrowellenverfahren der Wassergehalt nicht direkt bestimmt werden. Ein Mikrowellen Materialfeuchtemessgerät wird deshalb immer mit Referenzmessungen auf bestimmte Anwendungen und Materialien abgestimmt. Die Mikrowellenverfahren sind nicht anwendbar bei Substanzen, die elektrisch leitfähig sind.

Da nur eine geringe Mikrowellenleistung für die Messungen erforderlich ist, wird eine Gefährdung von Personen ausgeschlossen und das Material wird nicht durch die Strahlung verändert. Oft ist bereits eine Mikrowellenleistung von etwa 0,1 Milliwatt für die Materialfeuchtemessung ausreichend. Das Messgut wird durch diese Bestrahlung also kaum erhitzt oder nachhaltig in seinen Eigenschaften verändert. Die Bestimmung der Materialfeuchtigkeit mit Mikrowellenprüfgeräten ermöglicht sehr schnelle Ergebnisse und kann an derselben Stelle beliebig oft wiederholt werden. Da die Mikrowellen Messverfahren auch an bewegten Materialien funktionieren, können sie gut für Online Feuchtemessungen in Produktions-, Trocknungs- und Einlagerungsprozessen genutzt werden. Die zeitliche Taktung der Einzelmessungen kann an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Für sensible Prozesse sind Messraten im Millisekundenbereich und Messgenauigkeiten bis zu 0,1 Feuchteprozent realisierbar. Dadurch kann bei Abweichungen des Messgutes von den Zielvorgaben sehr schnell mit passenden Maßnahmen reagiert werden.

Ein Materialfeuchtemessgerät mit Mikrowellentechnik ist in der Regel bereits standardmäßig mit Prozessausgängen für industrielle Anwendungen ausgestattet und für den Dauerbetrieb ausgelegt. Die Sensoren weisen meist hohe IP Schutzgrade auf und Sensortypen, die zum Einbau in Rohrleitungen oder Behälter vorgesehen sind, werden mit passenden Anschlussbauteilen geliefert.

Transmissionsmethode beim Mikrowellen Materialfeuchtemessgerät
Bei der Feuchtemessung über die Transmissionsmethode können hohe Eindringtiefen erreicht werden, da das Materialfeuchtemessgerät die Mikrowellen misst, die das Material durchdrungen haben. Sende- und Empfangseinheit werden dazu so montiert, dass sich die zu prüfende Substanz zwischen ihnen befindet. Bei dieser Methode ist es nicht erforderlich, dass direkter Kontakt zwischen Teilen des Messgeräts und dem untersuchten Material besteht. Die Transmissionsmethode wird häufig für die Messung von Schüttgütern auf Förderbändern, in Bunkern, Silos oder Schächten eingesetzt. Der Mikrowellenempfänger erfasst die gedämpften Werte der Mikrowellen die das feuchte Material durchlaufen haben. Die Messelektronik vergleicht diese Werte dann mit denen der im Gerät gespeicherten Referenzmessungen und ermittelt daraus den Feuchtegehalt.

Reflexionsmethode beim Mikrowellen Materialfeuchtemessgerät
Bei der Reflexionsmethode wird ermittelt, in welchem Maße die eingestrahlten Mikrowellen vom Material reflektiert werden. Sender und Empfänger befinden sich also auf derselben Seite der zu messenden Substanz und meist in einem Bauteil. Sowohl die reflektierte als auch die eingestrahlte Welle werden gemessen, um den Reflexionsfaktor als Quotient beider zu ermitteln. Der für die Feuchtemessung erfassbare Tiefenbereich wird dabei durch den Aufbau des Sensors bestimmt.

Resonanzverfahren beim Mikrowellen Materialfeuchtemessgerät
Beim Resonanzverfahren werden Mikrowellen innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches generiert, um das Material zu resonanten Schwingungen anzuregen. Sende- und Empfangseinheit für die Mikrowellen sind ein einem Sensor untergebracht, der Resonator genannt wird. Der Resonator kann unterschiedliche Bauformen haben. Üblich sind-rohrförmige Sensoren bei denen das zu untersuchende Material durch den zylindrischen Hohlraum fließt, Spaltsensoren bei denen platten- oder bahnenförmige Materialien durch den Spalt geführt werden und Planarsensoren über deren scheibenförmige Oberfläche die Substanz bestrahlt und gemessen wird. Je nach Wassergehalt des Materials sinkt die Amplitudenhöhe und steigt die Halbwertbreite der Resonanzfrequenz stärker oder schwächer im Vergleich zur Messung ohne Material. Auch beim Resonanzverfahren muss darauf geachtet werden, dass die Messtiefe durch die Bauart des Sensors bestimmt wird.