Hygrometrie

Das Hygrometer ist ein Messinstrument zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit, also des Wasserdampfgehaltes der Luft.

Messgeräte und Messverfahren

Haarhygrometer

Es werden mehrere Messgeräte zur Bestimmung der Luftfeuchte unterschieden:

• Hygrometer zur Bestimmung der relativen Luftfeuchte
• Hygrometer zur Bestimmung der absoluten Luftfeuchte
• Hygrometer zur Bestimmung des Taupunkts

Absorptionshygrometer

Absorptionshygrometer enthalten ein hygroskopisches (wasseranziehendes) Material, dessen Eigenschaften sich durch die Feuchtigkeit ändern. Am bekanntesten ist das Haarhygrometer. Es enthält ein Haar, das sich bei Feuchtigkeit ausdehnt. Der Längenunterschied bei völlig trockener Luft 0 % relative Luftfeuchte (rF) und gesättigter Luft 100 % rF beträgt dabei etwa 2,5 %. Früher kamen dabei Menschen-, Schaf- oder Pferdehaare zur Anwendung, heute werden auch Kunstfasern verwendet. Die traditionellen Wetterhäuschen sind im Prinzip Haarhygrometer.

Eine andere Möglichkeit ist die Messung der Gewichtszunahme bei der Einlagerung von Wasser. Moderne elektronische Absorptionshygrometer dagegen basieren auf der Veränderung des elektrischen Widerstands oder der elektrischen Kapazität einer Schicht eines hygroskopischen Kunststoff-Polymers.

Taupunktspiegelhygrometer

Die Bestimmung des Taupunkts ist ein fundamentales, vergleichsweise aufwendiges und präzises Messverfahren. Es wird heute als das präziseste Verfahren zur Definition der nationalen Feuchtestandards eingesetzt. Dazu wird ein Spiegel soweit abgekühlt, bis sich die Luftfeuchtigkeit auf ihm niederschlägt. Mit einer Lichtquelle und einem Photosensor wird der Moment der Kondensation bestimmt. Zur Umrechnung des Taupunkts, z. B. in absolute Luftfeuchte, wird zusätzlich der Luftdruck, der zum Messzeitpunkt herrschte, benötigt. Zur Umrechnung in relative Feuchtewerte benötigt man zum Druck auch noch die Probentemperatur.

Handgerät zu Feuchtemessung mit einem kapazitiven Sensor

Psychrometer

Psychrometer bestimmen die relative Luftfeuchte und bestehen aus zwei gleichartigen Thermometern, wobei das Quecksilbergefäß bzw. der Temperatursensor des einen mit einem kontinuierlich befeuchteten Mullstrumpf überzogen ist. Dem feuchten Thermometer wird durch Verdunstung Wärme entzogen, und es zeigt infolgedessen eine niedrigere Temperatur als das trockene Thermometer an. Die Temperaturdifferenz zwischen beiden Thermometern ist ein Maß für die relative Feuchte. In der Regel unterscheidet man zwischen elektronisch und mechanisch arbeitenden Geräten. Die theoretische Grundlage für das Gerät liefert die Mischungstheorie nach Dr. Sonntag. Dabei wird davon ausgegangen, dass beide Thermometer kontinuierlich mit ca. 3 m/s belüftet werden. Wenige Psychrometer arbeiten auch heute noch nach der Diffusionstheorie, die voraussetzt, dass am Thermometergefäß keine Belüftung stattfindet.

Weitere Verfahren

Detailansicht eines kapazitiven Feuchtesensors

• Bei chemischen Hygrometern ändern sich Eigenschaften eines Materials aufgrund der chemischen Reaktion mit Wasser, zum Beispiel in Form von Farbänderungen, die auf Teststreifen abgelesen werden können. Im Trocknungsmittel Silikagel wird/wurde Kobalt-(II)-chlorid als Indikator verwendet: Blau = getrocknet, hellrosa = feucht.

• Coulometrisches Hygrometer Als coulometrischen Feuchtesensor bezeichnet man einen Feuchtesensor, der den Wasserdampfgehalt der Luft (Luftfeuchtigkeit) in sehr geringer Konzentration (Spurenfeuchte) misst. Die Messung basiert auf der Eigenschaft von Diphosphorpentoxid (P₂O₅), den in der Umgebung enthaltenen Wasserdampf zu absorbieren.

• Optische Hygrometer bestimmen die Luftfeuchte durch die Messung der Absorption von Licht mit einer bestimmten, für Wasserdampf charakteristischen Wellenlänge oder durch Messung der Änderung der Brechzahl.

• Impedanzhygrometer (auch Resistive Hygrometer) bestimmen die Luftfeuchte durch die Messung der Änderung des elektrischen Widerstands einer Substanz bei Wasseradsorption.

• Kapazitive Hygrometer bestimmen die Luftfeuchte durch die Messung der Änderung der elektrischen Eigenschaften eines Kondensators (Elektrotechnik) bei Wasseradsorption. Genauer: Es wird die Veränderung der Dielektrizitätskonstanten des Materials zwischen den Kondensatorplatten gemessen.

• Spiral-Hygrometer ein dünnes Blechband ist einseitig mit Kunststoff, der sich bei Wasseraufnahme ausdehnt, beschichtet und aufgerollt. Funktioniert analog einem Bimetall-Thermometer.

Daneben gibt es noch eine Reihe weiterer Möglichkeiten, die Luftfeuchtigkeit zu bestimmen, die aber vergleichsweise selten angewendet werden. Alle Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile, das optimale Hygrometer für alle Anwendungen gibt es nicht.

Siehe auch: Coulometrischer Feuchtesensor, Hygrograph

Justier- und Kalibrierverfahren

Das Kalibrieren und das Justieren sind ähnliche, aber nicht identische Vorgänge. Ziel des Justierens ist es eine Geräteeinstellung mit minimalem Anzeigefehler zu erhalten. Über Abweichungen der Messergebnisse (Soll- zu Ist-Wert) sagt eine Justage allerdings nichts aus, das ist Aufgabe der Kalibrierung. Ziel des Kalibrierens ist die Erstellung eines Protokolls (Kalibrierschein oder Kalibrierzertifikat), in diesem Protokoll wird die Anzeigeabweichung zu einem Normal höherer Ordnung (Soll- zu Ist-Wert) dokumentiert - am Gerät werden beim Kalibrieren keine Veränderungen (oder Justierungen) durchgeführt, siehe hierzu Kalibrieren versus Justieren

• Die klassische Justierung eines rF Hygrometers mit Kochsalz: Man stellt dazu eine kleine Schüssel feuchtes Speisesalz in ein luftdicht abgeschlossenes Gefäß und legt das Hygrometer neben die Schüssel mit dem Salz. Nach ca. 8 h stellt sich ein Luftfeuchtegleichgewicht von 75 % ein, auf diesen Wert kann das Gerät dann justiert werden, idealerweise notiert man sich vorher auch die Kalibrierung.

• Eine ähnliche schnelle Justierungsmöglichkeit bei kleineren (Haar-)hygrometern ist die, das Gerät eine halbe Stunde lang in ein feuchtes Tuch zu hüllen. Danach sollte es etwa 94 - 96 % rF anzeigen. Falls dies nicht eintritt, muss auf etwa diesen Wert justiert werden.

• Eine weitere Möglichkeit zur Justierung eines rF Hygrometers besteht darin, dass man in ein verschließbares, durchsichtiges Gefäß (z. B. eine Frischhaltedose mit Deckel) etwas Wasser gibt und das Hygrometer auf einer kleinen Erhöhung (damit es nicht nass wird) in das Gefäß stellt, letzteres verschließt und einige Stunden wartet, bis das Wasser an den Gefäßwänden kondensiert. Beschleunigen lässt sich dies, indem man das Gefäß in die Sonne stellt und danach (wichtig!) wieder für einige Zeit in den Schatten. Man wartet also, bis die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist. Nun entnimmt man zügig das Hygrometer und stellt es auf 100 % ein. Um die Einstellung nochmal abschließend zu überprüfen, benutzt man nun statt Wasser Glyzerin (möglichst hochkonzentriert, evtl. auch andere hygroskopische Stoffe). Dieses gibt man samt Hygrometer (erhöht) in das gleiche, trockene Gefäß (ohne Wasser), verschließt es und wartet wieder ein paar Stunden. Das Hygrometer sollte dann 0 % anzeigen.

• Die exakte Kalibrierung erfolgt über den Taupunkt, die genauesten Feuchtemessungen werden mit Taupunktspiegelhygrometern durchgeführt. Daher erfolgen präzise Kalibrierungen durch den Vergleich mit taupunktspiegelbasierten Messaufbauten der Nationalen Physikalisch-Technischen Anstalten wie z. B. Physikalisch-Technische Bundesanstalt, National Physical Laboratory bzw. deren Kalibrierlabors Deutscher Kalibrierdienst oder United Kingdom Accreditation Service.

Geschichte

Wetteranzeiger

Bereits im Mittelalter wurden unterschiedliche Verfahren zur Messung genutzt, die allerdings nur unzureichende Ergebnisse lieferten. Noch heute werden in Südfrankreich die Blütenstände getrockneter Korbblütler (Asteraceae), wie beispielsweise die Akanthusblättrige Eberwurz, zur Vorhersage von regnerischem Wetter genutzt. Eine Erläuterung findet sich hier.

Das erste Haarhygrometer wurde 1783 von Horace-Bénédict de Saussure demonstriert. Er benutzte dazu ein blondes Frauenhaar. Um 1820 gelang John Frederic Daniell die Messung der Luftfeuchtigkeit über den Taupunkt, 1887 konstruierte Richard Aßmann das erste Psychrometer.

Weblinks

• Alte Wetterinstrumente
• Tabelle der relativen Feuchtigkeit über verschiedenen Salzlösungen
• Schaltplan für den Bau eines Feuchtigkeitsmessgerätes mit Sensor