Wasseraktivität : Taupunkt, TDL, Kapazitäts- und resistive elektrolytische Sensoren

Der Messvorgang

Unabhängig von der verwendeten Messtechnik oder Sensortechnologie beginnen alle Messungen der Wasseraktivität auf dieselbe Weise. Eine repräsentative Probe wird in eine versiegelte Messkammer gegeben, wo sie sich mit der Luft im „ Kopfraum “ über ihr im Gleichgewicht einpendeln kann. Während dieses Gleichgewichtsprozesses bewegen sich Wassermoleküle zwischen der Probe und der Luft, bis die „ Dampfdruck “ (oder Dampfdichte) im „ Kopfraum “ einen stabilen Wert erreicht. Sobald das Gleichgewicht erreicht ist, wird die Wasseraktivität mithilfe einer von vier Sensortechnologien bestimmt, die sich in zwei primäre (direkte) und zwei sekundäre (indirekte) Methoden unterteilen.

Primäre (direkte) Methoden

Primäre Messverfahren erfassen eine grundlegende physikalische Eigenschaft des Wasserdampfs selbst – entweder seine „ Dampfdruck “ oder seine Konzentration –, anstatt die Wasseraktivität aus einem sekundären elektrischen Effekt abzuleiten. Dadurch sind sie von Natur aus genauer und weniger anfällig für Abweichungen, Verunreinigungen oder Störungen.

Kühlspiegel-Taupunktsensor. Ein Kühlspiegel-Taupunktsensor misst direkt die Taupunkttemperatur der sich im Gleichgewicht befindenden Luft über der Probe. Ein kleiner Spiegel wird so lange gekühlt, bis sich erste mikroskopisch kleine Kondenswassertropfen auf seiner Oberfläche bilden. Ein optisches System erfasst den Beginn der Kondensation und ermittelt so die Taupunkttemperatur, während ein separater Sensor die Umgebungstemperatur in der Kammer misst. Anhand dieser beiden Temperaturen berechnet das Gerät die relative Luftfeuchtigkeit – und damit die Wasseraktivität – der Probe. Da sie auf dem grundlegenden thermodynamischen Zusammenhang zwischen Taupunkt und Wasseraktivität ( Dampfdruck) basiert, gilt die Kühlspiegeltechnologie als direkte Primärmethode zur Messung der Wasser und wird allgemein als die genaueste Technik für nichtflüchtige Proben angesehen.

regelbarer Diodenlaser (TDL)-Sensor. Ein „ regelbarer Diodenlaser “-Sensor misst direkt die Konzentration von Wasserdampfmolekülen in der „ Kopfraum “. Der Sensor sendet einen fein abgestimmten Infrarot-Laserstrahl durch die Luft über der Probe. Die Laserwellenlänge, die weniger als ein Nanometer beträgt, ist speziell auf das am häufigsten vorkommende Isotop von Wasser abgestimmt. Wasserdampfmoleküle absorbieren einen Teil der Laserenergie, während andere flüchtige Verbindungen – darunter Alkohole, Benzin, organische Lösungsmittel und Propylenglykol – die Messung nicht beeinträchtigen. Indem das Gerät misst, wie stark der Laserstrahl abgeschwächt wird, bestimmt es direkt die Wasserdampfkonzentration und berechnet die Wasseraktivität. Da der „ regelbarer Diodenlaser “ die Wasserdampfdichte direkt misst, anstatt sich auf Veränderungen der elektrischen Eigenschaften zu stützen, gilt er als direkte Primärmethode und ist die einzige Sensortechnologie, die in der Lage ist, die Wasseraktivität in Proben mit erheblichen Konzentrationen flüchtiger Verbindungen genau zu messen.

Sekundäre (indirekte) Methoden

Sekundäre Methoden messen den Wasserdampf nicht direkt. Stattdessen leiten sie Wasseraktivität einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften eines Sensormaterials ab, wenn dieses Feuchtigkeit aufnimmt. Diese Methoden können nützlich sein, sind jedoch im Allgemeinen anfälliger für Sensordrift, Verunreinigungen und Störungen als direkte Methoden.

Kapazitiver Sensor. Kapazitätssensoren bestimmen die Wasseraktivität indirekt, indem sie Änderungen der elektrischen Eigenschaften eines hygroskopischen Polymers messen. Der Sensor besteht aus zwei Elektroden, die durch ein dielektrisches Polymermaterial voneinander getrennt sind. Wenn Wasserdampf aus der Probe vom Polymer absorbiert wird, steigt dessen Dielektrizitätskonstante an, wodurch sich die Kapazität des Sensors ändert. Das Messgerät setzt diese Kapazitätsänderung in die relative Luftfeuchtigkeit des „ Kopfraum “ um und berechnet daraus die Wasseraktivität. Da die Messung aus Veränderungen einer elektrischen Eigenschaft abgeleitet wird und nicht auf einer direkten Messung der Wasser Dampfdruck s- oder Dampfkonzentration beruht, gelten Kapazitätssensoren als indirekte, sekundäre Methode.

Resistiver elektrolytischer Sensor. Resistive elektrolytische Sensoren messen die Wasseraktivität ebenfalls indirekt anhand von Änderungen der elektrischen Eigenschaften. Der Sensor besteht aus zwei feinen Glasstäbchen mit Metallelektroden, die durch eine elektrolytische Lösung voneinander getrennt sind. Wenn Wasserdampf in den Elektrolyten aufgenommen wird, dissoziieren ionische funktionelle Gruppen, wodurch sich die elektrische Impedanz (der Widerstand) des Sensors ändert. Diese Impedanzänderung steht in Zusammenhang mit der relativen Luftfeuchtigkeit ( Kopfraum), wodurch das Gerät die Wasseraktivität abschätzen kann. Wie Kapazitätssensoren gelten auch resistive elektrolytische Sensoren als indirekte, sekundäre Methoden, da sie auf elektrischen Reaktionen beruhen, anstatt den Wasserdampf selbst direkt zu messen.

Warum AQUALAB Taupunkt- und „ regelbarer Diodenlaser “-Sensoren einsetzt

AQUALAB-Geräte nutzen in erster Linie die Technologien des gekühlten Spiegels zur Taupunktmessung und der „ regelbarer Diodenlaser “ (TDL), da es sich dabei um direkte Primärmethoden zur Messung der Wasseraktivität handelt. Beide Sensoren quantifizieren direkt den thermodynamischen Zustand des Wassers im „ Kopfraum “ – entweder durch Messung der „ Dampfdruck “ über den Taupunkt oder durch direkte Messung der Wasserdampfkonzentration mittels Laserspektroskopie. Im Gegensatz dazu sind kapazitive und resistive elektrolytische Sensoren sekundäre Verfahren, da sie die Wasseraktivität aus Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Sensor-Materialien ableiten. Diese indirekten Verfahren können zwar nützliche Messwerte liefern, sind jedoch im Allgemeinen anfälliger für Sensordrift, Verunreinigungen und Störungen als die von AQUALAB eingesetzten direkten Messtechniken.

‍