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Einführung

Die Messung der Luftfeuchte

Neben der Temperatur ist die Feuchte eine sehr wichtige Prozessgröße. Die relative Luftfeuchte der Umgebung beeinflusst beispielsweise weitgehend unser Wohlbefinden und den Gesundheitszustand. Bei industriellen Prozessen ist die richtige Einstellung der Feuchte oft entscheidend über Wettbewerbs­fähigkeit und Qualität der Erzeugnisse. Ebenfalls kann eine korrekte Einstellung des Feuchtigkeitsniveaus zu deutlichen Einsparungen im Energieverbrauch beitragen. Die Liste der Anwendungsgebiete, in denen die Messung der Luftfeuchte wichtig erscheint, lässt sich beliebig fortsetzen. Überall dort, wo durch den Wasserdampfgehalt der Luft chemische, physikalische oder biologische Prozesse hervorgerufen oder beeinflusst werden, ist die ständige Überwachung der Luftfeuchte von hoher Bedeutung.

Begriffe und physikalische Gesetze

Die Zusammensetzung der Luft

In reiner, trockener Luft befinden sich folgende Bestandteile:
78,10 Vol.-% Stickstoff
20,93 Vol.-%Sauerstoff
0,93 Vol-% Argon
0,03 Vol.-% Kohlendioxid
0,01 Vol.-% Wasserstoff
sowie kleinere Mengen Neon, Helium, Krypton und Xenon. Neben diesen Bestandteilen ist in unserer Raum- und Außenluft noch eine Anzahl gasförmiger und fester Stoffe, sowie eine gewisse Feuchtigkeitsmenge in Form von Wasserdampf vorhanden. Die Luft ist also ein homogenes Gemisch verschiedener Gase und kann als "Ideales Gas" angesehen werden. Sonneneinstrahlung und Winde sorgen für eine gleichmäßige Vermischung der beteiligten Gasarten, so dass trotz unterschiedlicher spezifischer Gewichte keine Schichtenbildung stattfindet.

Dalton's Gesetz P = P1 + P2 + ...

Der Gesamtdruck eines Gasgemisches besteht aus der Summe der Teildrücke und seiner Bestandteile. Einfach ausgedrückt besteht also die Luft aus trockener Luft und Wasserdampf,

P = Pw + Ptrocken

wobei (Pw) den durch Wasserdampf erzeugten Teildruck und (Ptrocken) die Summe der Teildrücke aller anderen Gase darstellt.

Wasserdampfsättigungsdruck

Die Luft ist in der Lage, eine bestimmte Wasserdampfmenge in Abhängigkeit von ihrer Temperatur aufzunehmen und zu speichern. Mit zunehmender Temperatur erhöht sich die Aufnahmemenge. Der dadurch erzeugte Wasserdampfdruck kann bei einer bestimmten Temperatur nur bis zur Sättigungsgrenze ansteigen und wird als Wasserdampf­sättigungs­druck (PS) bezeichnet. Der Umgebungsdruck oder die Anwesenheit anderer Gase bzw. Verunreinigungen üben keinen Einfluss auf das dargestellte Verhalten aus.

Die Wasserdampfdruck-Kurve kennzeichnet das Sättigungsmaximum des Wasserdampfgehalts der Luft in Abhängigkeit von der Temperatur

Taupunkt

Die Taupunkttemperatur (Td) ist die Temperatur, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist und durch weitere Zufuhr von Wasserdampf oder Abkühlung der Lufttemperatur eine Kondensation eintritt. Die überschüssige Wasserdampfmenge taut als Regen, Nebel oder Kondenswasser ab. Der gesättigte Zustand bleibt dabei erhalten. Die Taupunkttemperatur ist der Wasserdampf­sättigungs­temperatur gleichzusetzen und kann bei Normaldruck maximal 100 °C betragen

Messgrößen

Zur Kennzeichnung des Feuchtigkeitsgehaltes in der Luft stehen zwei Messgrößen zur Verfügung. Man unterscheidet zwischen der relativen Feuchte und der absoluten Feuchte.

Mischungsverhältnis oder Wassergehalt (x)

Hierbei wird das Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zu der Masse des trockenen Gases dargestellt. Meistens werden als Einheiten g/kgtrockene Luft und % verwendet.

Es besagt also, wieviel Gramm Wasserdampf in einem Kilogramm trockener Luft enthalten sind. In der Verfahrenstechnik spielt die Ermittlung des Wassergehalts eine wichtige Rolle, da hierdurch viel aussagekräftigere Daten gegenüber der relativen Feuchte zur Verfügung stehen.

Die Dimensionen der absoluten und relativen Luftfeucht stehen in fester Beziehung zueinander. Die Einheiten der absoluten Feuchte können entsprechend den jeweiligen Erfordernissen gewählt werden.

Die gebräuchlichsten Einheiten sind:

  • Taupunkt (-temperatur) °C
  • Mischungsverhältnis g/kg trockene Luft
  • Absolute Feuchte g/m3

Einheiten der absoluten Feuchte in Beziehung zur relativen Feuchte

Zusammenhang zwischen Temperatur, Feuchtegehalt und relativer Feuchte

Die entsprechenden Zusammenhänge sind im i-x-Diagramm (Molliersches Diagramm) dargestellt.

Beispiel zur Benutzung des Diagramms:

a) Ermittlung des Wassergehaltes X und des Wasserdampfdruckes e

Gemessen:

  • Lufttemperatur 28 °C
  • Luftfeuchte 60 % rF

Gemessene Werte im Diagramm aufsuchen und Schnittpunkt A ermitteln. Auf dem Schnittpunkt eine Senkrechte fällen und bis zum oberen und unteren Diagrammrand durchzeichnen. Der Schnittpunkt am oberen Rand ergibt den Wasserdampfdruck e = 17 mm QS, der am unteren Rand den Wassergehalt X = 14 g/kg

b) Ermittlung der Taupunkttemperatur

Gemessen:

  • Lufttemperatur 28 °C
  • Luftfeuchte 60 % rF

Wie unter a) Schnittpunkt A ermitteln. Von Schnittpunkt A aus senkrecht auf die maximale Luftfeuchte 100% gehen und von diesem Punkt aus eine Linie auf die Achse (links) mit der Temperaturteilung ziehen. Der neue Schnittpunkt ergibt die gesuchte Taupunkttemperatur von 19,4 °C.

Zusammenhang zwischen Temperatur, Feuchtegehalt und relativer Feuchte

Feuchtemessverfahren und ihre Anwendungsbereiche

Zur Ermittlung der Luftfeuchte können verschiedene Messverfahren angewendet werden. Die Auswahl des am besten geeigneten Messverfahrens ist meist durch den Anwender im Zusammenhang mit dem Messobjekt zu treffen. Oft ist es möglich, durch eine einfach aber richtig angeordnete Feuchtemesseinrichtung eine höhere Messgenauigkeit zu erzielen bzw. den gewünschten Anforderungen gerecht zu werden. Zur allgemeinen Hilfestellung sind nachfolgend einige der bekanntesten und häufig verwandten Feuchtemessverfahren und deren Anwendungsbereiche beschrieben.

Elektrisches Psychrometer

Elektrisches Psychrometer

Aufbau des Sensors

Aufbau eines kapazitiven Sensors

Psychrometric measuring method

With the psychrometric measuring method, the relative air humidity is determined directly. The measuring method is based on the principle of heat exchange.

The psychrometer basically consists of two independent temperature sensors, one of which is used as a humidity temperature sensor and the other as a dry temperature sensor. The humidity temperature sensor is surrounded by an absorbent fabric soaked in water. Depending on the temperature or moisture content of the circulating air, a certain amount of water vapour is released by evaporation through a necessary air flow. This causes the surface of the moist thermometer to cool noticeably (wet bulb temperature). At the same time, the air temperature of the environment (dry temperature) is measured with the second temperature sensor. The psychrometric temperature difference thus determined is a measure of the relative humidity present in the air.

With the psychrometer and careful handling, precise measurements of the air humidity can be carried out. For example, aspiration psychrometers according to Assmann are used as internationally recognised reference and control devices. An integrated fan with spring winding ensures an average constant air velocity of approx. 3 m/s, which flows around the thermometers. The temperature difference is read on two calibrated glass thermometers.

The evaluation is carried out manually using a table or a graphic psychrometer panel. The aspiration psychrometer charts of the German Weather Service, divided into 10ths of a degree, can also be used for higher evaluation accuracy.

In addition to the aspiration psychrometer, a variety of different designs are also available. The field of application of most mechanical psychrometers with glass thermometers is limited to the climate range for measurements at temperatures ≤ 60 °C. The advantage of these designs is that no power supply is required.

The electric psychrometers enable an extended field of application. The wet bulb and dry bulb temperatures are measured by Pt-100 resistance thermometers. This means that the relative humidity determined according to the "Sprungsche formula" can be directly displayed or further processed in microprocessor-controlled display, control and recording devices with corresponding input circuitry. The temperature range is from almost 0 to 100 °C.

The psychrometric measuring method is insensitive to other humidity measuring methods and therefore largely permits measurements in dirty, solvent-containing and aggressive gases. For example, electrical psychrometers are used for continuous measurements in the butcher's and cheese industry.

With the psychrometric measuring method, which has been known for more than one hundred years, a simple and cost-effective moisture measuring method has been realized. Reliable continuous measurements, however, require application-specific criteria that must be fulfilled. For example, sufficient ventilation and humidification as well as maintenance of the measuring equipment. Details can be found in the operating and procedural instructions of the respective instrument.

Capacitive measuring method

The moisture content of the ambient air, which depends on the temperature, penetrates the hygroscopic upper electrode of the humidity sensor as water vapour and reaches the active polymer film.

The amount of water vapour absorbed in the polymer film changes the electrical properties of the humidity sensor and has the effect of changing the capacitance. The capacitance change is proportional to the change in relative humidity and is evaluated by downstream electronics and converted into a standardized output signal. The evaluation electronics must be adapted to the basic capacity of the respective humidity sensor.

Due to the special design and the low dead weight of the capacitive humidity sensors, very fast response times are achieved. Furthermore, they are largely insensitive to light soiling and dust. As protection against contact with the surface, the sensors are enclosed in a plastic housing. Dew-proof versions are available for applications in the high humidity range.

Capacitive measuring methods are used, for example, in the climate sector and in industrial processes where there is no high concentration of corrosive gases or solutions.

The standard measuring range for capacitive humidity sensors is predominantly 10 to 90 % RH. With higher quality versions, measurements in the range between 0 and 100 % RH are possible.

Arbeitsbereich eines kapazitiven Feuchtegebers

Arbeitsbereich eines kapazitiven Feuchtegebers für industrielle Anwendungen

Längenänderung des Haares in Abhängigkeit der relativen Feuchte

Längenänderung des Haares in Abhängigkeit der relativen Feuchte (hygrometrisches Messverfahren)

One of the main advantages of the capacitive measuring method is the feasible temperature range in which the humidity measurements can be carried out. For example, modern humidity sensors for industrial applications allow measurements between -40 to +180 °C, whereby the temperature is recorded simultaneously and is also available as a standardized output signal.

Depending on the instrument version, deviations of the displayed working range are possible.

Due to the purely electrical measurement, the capacitive measurement method offers a further advantage. For example, high-quality humidity sensors equipped with the latest microprocessor technology can be equipped with a variety of possible options and functions.

Since different gas pressures and air velocities have hardly any influence on the capacitive humidity sensor, device versions are available which allow measurements in pressure-loaded systems between 0 and 100 bar.

The measuring accuracy is between ±2 and ±5 % rf, depending on the instrument version. Under certain conditions, even measurement accuracies of ±1 % RH can be achieved.

Hygrometric measuring method

The hygrometric measuring method uses the special properties of hygroscopic fibrous materials to determine air humidity. If these fibres are exposed to ambient air, measurable changes in length occur after a compensation time depending on the moisture content of the air.

The respective condition of the pulp now enables a direct conclusion to be drawn about the air humidity present. In hygrometric measuring elements, specially prepared plastic threads and human hair are mainly used.

Hair measuring element

The effectiveness of the measuring element is based on the fact that the hair used is able to absorb moisture. The absorption of moisture creates a swelling effect on the hair, which is mainly noticeable as a change in length.

With increasing humidity the hair lengthens. The change in length is approx. 2.5 % in relation to the hair length with a change in moisture from 0 to 100 %. The hair, however, shows only a relatively small elongation at high humidity (see figure above).

Hair measuring elements are preferably used in pointer instruments for climatic applications. The change in length of the hair is transferred to a pointer or pencil by a special precision mechanical transmission. For reasons of mechanical stability, several hairs are combined to form a hair bundle or a hair harp.

The measuring method guarantees an accuracy of ±3 % in the measuring range from 0 to 90 (100) % RH. Ambient temperatures from -35 to +50 °C are possible. For prolonged use in the low humidity range below 40 % RH, the hair element must be regenerated. For this purpose, the hair hygrometer is exposed to almost saturated air (approx. 94 to 98 %) for approx. 60 minutes. A possible correction of the pointer position can then be carried out with an adjusting screw. Hair hygrometers are sensitive to hygroscopic dust and must therefore be protected or cleaned at regular intervals.

Plastic measuring element

The plastic measuring element uses plastic threads instead of human hair. A special process also gives these fibres hygroscopic properties. Changes in relative humidity cause a proportional change in length of the measuring element. The elongation is also transmitted via a precision mechanical transmission.

The advantage of the plastic measuring element is that it can be used at higher temperatures (up to 110 °C) and also over a longer period of time at low relative humidity. A regeneration known from the hair measuring elements is not necessary here.

The plastic measuring element is water-resistant and insensitive to dry dirt, dust, fluff and similar contamination. The measuring or working range is (0)30 to 100 % RH, but depends on the ambient temperature (see figure below). The measuring accuracy is ±2 to 3 %.

Hygrometric transducers with a plastic element are used for continuous measurements in industrial process engineering and in climatic applications due to their high insensitivity and higher temperature compatibility. Depending on the respective application, a wide variety of instrument versions are available.

Max. Temperatur und Feuchte bei einem Kunststoffmesselement

These include, but are not limited to:

Hygro sensor

The change in length of the plastic measuring element is sensed by a suitable system and usually converted into a linear resistance signal. Versions with built-in two-wire transmitters are also available, whereby standardized current and voltage signals are available at the output. Devices with an additional temperature measuring range are referred to as hygrothermo transducers.

Hygrostats

In this variant, the change in length of the measuring element is used to actuate a switching contact. The hygrostats are used to control humidification and dehumidification systems.

Hygrograph

The hygrograph is a recording moisture recorder with hygrometric hair or plastic measuring elements. An additional temperature recording is also possible (hygrothermograph). Fields of application are e.g. weather stations.

With the hygrometric measuring method, humidity measurements in unpressurized and non-aggressive air are generally possible. Measurements in solvent-containing and aggressive media should be avoided, as their type and concentration can cause incorrect measurements or destroy the measuring element.

concluding observation

The section on moisture measurement methods and their areas of application deals with basic principles. Described instrument versions and technical specifications may therefore differ from those of the manufacturer. More detailed information can therefore be found in the operating instructions or data sheets of the individual instruments.