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

Psychrometrisches Messverfahren

Mit dem psychrometrischen Messverfahren ermittelt man direkt die relative Luftfeuchte. Das Messverfahren beruht auf dem Prinzip des Wärmeaustausches.

Das Psychrometer besteht grundlegend aus zwei unabhängigen Temperaturfühlern, wovon einer als Feuchte-Temperaturfühler und der andere als Trocken-Feuchte-Temperaturfühler verwendet wird. Der Feuchte-Temperaturfühler ist von einem saugfähigen, mit Wasser getränktem Stoffgewebe umgeben. Durch einen notwendigen vorbeigeführten Luftstrom wird je nach Temperatur bzw. Feuchtegehalt der Umluft eine gewisse Wasserdampfmenge durch Verdunstung an diese abgegeben. Hierdurch kühlt sich die Oberfläche des feuchtgehaltenen Thermometers merklich ab (Feuchtkugeltemperatur). Gleichzeitig wird mit dem zweiten Temperaturfühler die Lufttemperatur der Umgebung (Trockentemperatur) gemessen. Die so ermittelte psychrometrische Temperaturdifferenz ist ein Maß für die in der Luft vorhandene relative Feuchte.

Mit dem Psychrometer lassen sich bei sorgfältiger Handhabung präzise Bestimmungen der Luftfeuchte durchführen. So werden z.B. Aspirations-Psychrometer nach Assmann als international anerkannte Referenz- und kontrollgeräte eingesetzt. Ein integrierter Lüfter mit Federaufzug sorgt hierbei für eine im Mittel konstante Luftgeschwindigkeit von ca. 3 m/s, welche die Thermometer umströmt. Die Temperaturdifferenz wird an zwei geeichten Glasthermometern abgelesen.

Die Auswertung erfolgt manuell anhand einer Tabelle oder einer graphischen Psychrometertafel. Zur höheren Auswertegenauigkeit können auch die in 10tel Grad eingeteilten Apirations-Psychrometertafeln des Deutschen Wetterdienstes herangezogen werden.

Neben dem Aspirations-Psychrometer sind noch eine Vielzahl verschiedener Bauformen erhältlich. Das Anwendungsgebiet der meisten mechanischen Psychrometer mit Glasthermometern begrenzt sich auf den Klimabereich für Messungen bei ≤ 60 °C. Der Vorteil dieser Bauformen liegt darin, dass keine Spannungsversorgung benötigt wird.

Ein erweitertes Einsatzgebiet ermöglichen die elektrischen Psychrometer. Hierbei werden die Feuchtkugel und Trockentemperatur durch Pt 100-Widerstandsthermometer gemessen. Dadurch kann die nach der Sprungsche Formel ermittelte relative Feuchte bei mikroprozessorgesteuerten Anzeige-, Regel und Registriergeräten mit entsprechender Eingangsschaltung direkt angezeigt bzw. verarbeitet werden. Der Temperaturbereich erstreckt sich von nahezu 0 bis 100 °C

Das psychrometrische Messverfahren erlaubt durch den unempfindlichen Aufbau gegenüber anderen Feuchtemessverfahren weitgehend Messungen in verschmutzten, lösungsmittelhaltigen und aggressiven Gasen. So werden z. B. elektrische Psychrometer für Dauermessungen in der Fleischerei und Käsereibranche eingesetzt.

Mit dem psychrometrischen Messverfahren, das seit mehr als einhundert Jahren bekannt ist, wurde ein einfaches und konstengünstiges Feuchte-Messverfahren realisiert. Zuverlässige Dauermessungen erforden jedoch anwendungsspezifische kriterien, die erfüllt werden müssen. So z.B. eine ausreichende Ventilation und Befeuchtung sowie Wartung der Messeinrichtung. Einzelheiten hierüber können der Betriebs bzw. Verfahrensanweisung des jeweiligen Gerätes entnommen werden.

Kapazitives Messverfahren

Bei dem kapazitiven Messverfahren wird grundlegend das Kondensationsprinzip angewendet. Die Funktion des Feuchtesensors basiert auf Änderungen der Kapazität eines dünnen Polymerfilms bei Aufnahme bzw. Abgabe von Wassermolekülen.

Die in dem Polymerfilm aufgenommene Wasserdampfmenge verändert die elektrischen Eigenschaften des Feuchtesensors und wirkt sich als Kapazitätsänderung aus. Die Kapazitätsänderung ist proportional zur Änderung der relativen Feucht und wird durch eine nachgeschaltete Elektronik ausgewertet und in ein normiertes Ausgagngssignal umgeformt. Die Auswerteelektronik muss der Grundkapazität des jeweiligen Feuchtesensors angepasst werden.

Durch den speziellen Aufbau und die geringe Eigenmasse der kapazitiven Feuchtesensoren werden sehr schnelle Ansprechzeiten erreicht. Weiterhin sind sie weitgehend unempfindlich gegen leichte Verschmutzungen und Staub. Als Schutz vor Berührungen der Oberfläche sind die Sensoren in einem Kunststoffgehäuse eingefasst. Für Anwendungen im Hochfeuchtebereich sind betauungssichere Ausführungen erhältlich.

Kapazitive Messverfahren finden Anwendung z.B. im Klimabereich und in Industrieprozessen, bei denen keine hohen Konzentrationen von korresiven Gasen oder Lösungen auftreten.

Der Standardmessbereich für kapazitive Feuchtesensoren beträgt überwiegend 10 ... 90 % rF. Bei hochwertigeren Ausführungen sind Messungen im Bereich zwischen 0 und 100 % rF möglich.

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)

Einer der Hauptvorteile des kapazitiven Messverfahrens ist der realisierbare Temperaturbereich, in dem die Feuchtemessungen durchgeführt werden können. So erlauben z.B. moderne Feuchtegeber für industrielle Anwendungen Mssungen zwischen -40...+180 °C, wobei die Temperatur gleichzeitig erfasst wird und ebenfalls als normiertes Ausgangssignal zur Verfügung steht.

Je nach Geräteausführung sind Abweichungen des dargestellten Arbeitsbereichs möglich.

Bedingt durch die rein elektrische Messung bietet das kapazitive Messverfahren einen weiteren Vorteil. So können z. B. hochwertige und mit modernster Mikroprozessortechnik ausgestattete Feuchtegebe mit einer Vielfalt möglicher Optionen und Funktionen versehen werden.

Da unterschiedlich auftretende Gasdrücke und Luftgeschwindigkeiten kaum einen Einfluss auf den kapazitiven Feuchtesensor ausüben, sind Geräteausführungen erhältlich, die Messungen in druckbelastetem Systemen zwischen 0...100 bar erlauben.

Die Messgenauigkeit liegt je nach Geräteausführung zwischen ±2 und ±5 % rF. Unter bestimmten Voraussetzungen können sogar Messgenauigkeiten von ±1 % rF erreicht werden.

Hygrometrisches Messverfahren

Beim hygrometrischen Messverfahren werden die besonderen Eigenschaften hykroskopischer Faserstoffe zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit genutzt. Setzt man diese Faserstoffe der Umgebungsluft aus, treten nach einer Ausgleichszeit messbare Längenänderungen in Abhängigkeit von dem Feuchtegehalt der Luft auf.

Der jeweilige Zustand des Faserstoffens ermöglicht nun einen direkten Rückschluss auf die vorhandene Luftfeuchtigkeit.
In hygrometrischen Messelementen finden überwiegend speziell präparierte Kunststofffäden und menschliche Haare Anwendung.

Haarmesselement

Die Wirkungsweise des Messelementes beruht darauf, dass die verwendeten Haare in der Lage sind, Feuchtigkeit zu absorbieren. Durch Feuchtigkeitsaufnahme entsteht am Haar ein quellender Effekt, der sich vorwiegend als Längenänderung bemerkbar macht.

Bei zunehmender Luftfeuchte verlängert sich das Haar. Die Längenänderung beträgt ca. 2,5 % bezogen auf die Haarlänge bei einer Feuchtänderung von 0 auf 100 %. Das Haar weist jedoch bei hoher Luftfeuchte nur noch eine relativ geringe Verlängerung auf.

Haarmesselemente werden vorzugsweise in Zeigerinstrumenten für den Klimabereich eingesetzt. Die Längenänderung des Haares wird durch eine spezielle feinmechanische Übersetzung auf einen Zeiger oder Schreibstift übertragen. Aus Gründen der mechanischen Stabilität fasst man mehrere haare zu einem Haarbündel oder zu einer Haarharfe zusammen.

Das Messverfahren gewährleistet eine Genaugikeit von ±3 % im Messbereich von 0 ... 90 (100) % rF. Es sind Umgebungstemperaturen von -35 ... +50 °C möglich. Bei längerer Anwendung im niedrigen Feuchtebereich unterhalb 40 % rF muss das Haarelement regeneriert werden. Hierzu setzt man das Haar-Hygrometer ca. 60 Minuten lan einer nahezu gesättigten Luft (etwa 94 ... 98 %) aus. Eine eventuelle Korrektur der Zeigerstellung kann anschließend mit einer Justierschraube vorgenommen werden. Haar-Hygrometer reagieren empfindliche gegen hygroskopischen Staub und sind daher zu schützen bzw. müssen in bestimmten Zeitabständen gereinigt werden.

Kunststoffmesselement

Beim Kunststoffmesselement werden anstatt der menschlichen haare Kunststofffäden verwendet. durch ein spezielles Verfahren erhalten diese Fasern ebenfalls hygroskopische Eigenschaften. Änderungen der relativen Feuchte bewirken eine proportionale Längenänderung des Messelementes. Die Längendehnung wird auch über eine feinmechanische Übersetzung übertragen.

Das Kunststoffelement bietet den Vorteil, dass man es bei höheren Temperaturen (bis zu 110 °C) und auch über längere Zeit bei niedriger relativer Feuchte verwenden kann. Ein von den Haarmesselementen bekanntes Regenerieren ist hierbei nicht erforderlich.

Das Kunststoffmesselement ist wasserbesteständig und unempfindlich gegen trockenen Schmutz, Staub, Flusen und ähnlichen Verschmutzungen. Der Mess-/Arbeitsbereich liegt bei (0)30 ... 100 % rF, ist aber von der Umgebungstemperatur abhängig. Dabei beträgt die Messgenauigkeit ±2 to 3 %.

Hygrometrische Messwertgeber mit Kunststoffelement werden wegen ihrer weitgehenden Unempfindlichkeit und der höheren Temperaturverträglichkeit für Dauermessungen in der industriellen Verfahrenstechnik und im Klimabereich eingesetzt. Entsprechend der jeweiligen Anwendung sind die verschiedensten Geräteausführungen erhältlich.

Max. Temperatur und Feuchte bei einem Kunststoffmesselement

Hierzu zählen unter anderem:

Hygrogeber

Die auftretende Längenänderung des Kunststoffelementes wird bei diesen Geräten über ein geeignetes System abgetastet und meist in ein lineares Widerstandssignal umgewandelt. Ebenfalls sind Ausführungen mit eingebautem Zweidraht-Messumformer erhältlich, wobei normierte Strom- und Spannungssignale am Ausgang zur Verfügung stehen. Geräte mit einem zusätzlichen Temperaturmessbereich werden als Hygrothermogeber bezeichnet.

Hygrostate

Bei dieser Variante wird die Längenänderung des Messelementes zur Bestätigung eines Schaltkontaktes genutzt. Die Hygrostate dienen zur Steuerung von Be- und Entfeuchtungsanlagen.

Hygrograph

Der Hygrograph ist ein registrierender Feuchteschreiber mit hygrometrischen Haar- oder auch Kunststoffmesselementen. Eine zusätzliche Temperaturerfassung ist ebenfalls möglich (Hygrothermograph). Anwendungsgebiete sind z.B. Wetterstationen.

Mit dem hygrometrischen Messverfahren sind allgemein Feuchtemessungen in druckloser und nicht aggressiver Luft möglich. Messungen in lösungsmittelhaltigen und aggressiven Medien sollten vermieden werden, da sie ja nach Art und Konzentration Fehlmessungen verursachen bzw. es zur Zerstörung des Messelements führen kann.

Schlussbetrachtung

Der Abschnitt Feuchtemessverfahren und ihre Anwendungsbereiche behandelt Grundlagen. Beschriebene Geräteausführungen und technische Angaben könen daher herstellbezogenen Abweichungen aufweisen. Genauere Hinweise sind daher den Betriebsanleitungen oder Datenblättern der einzelnen Geräte zu entnehmen.