Feuchtigkeitsmessgerät / Feuchtigkeitsmesser

Als Feuchtigkeit oder Feuchte wird der in einer Substanz enthaltene Wasseranteil bezeichnet. Der Wassergehalt spielt eine entscheidende Rolle bei vielen biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen. Dies betrifft sowohl natürliche Vorgänge wie die Wetterentwicklung oder das Wachstum von Pflanzen, als auch technische Prozesse, bei denen Wasser genutzt wird. Um sich auf Wetterbedingungen einstellen zu können, das Raumklima an Zielwerte anpassen zu können oder den gewünschten Wassergehalt für einen Rohstoff einstellen zu können, wird die Feuchte der Luft oder des Materials mit einem Feuchtigkeitsmessgerät bestimmt. Da der Einsatzzweck sehr oft die grundlegenden Anforderungen an die Feuchtigkeitsmesser vorgibt, gehen wir auf einige der häufigsten Einsatzbereiche ein. Vorher erläutern wir wichtige Begriffe im Zusammenhang mit der Feuchte. Durch das Verständnis dieser Begriffe wird es erheblich leichter, ein passendes Feuchtigkeitsmessgerät für eine bestimmte Aufgabe zu finden.

Die absolute Feuchtigkeit gibt den Wassergehalt von Luft oder anderen Substanzen als absoluten Wert in Gramm pro Kilogramm oder Gramm pro Liter oder pro Kubikmeter an. Die meisten Feuchtigkeitsmesser zeigen den Messwert aber als relativen Wert in Prozent an. Dies erleichtert den schnellen Vergleich der Messergebnisse mit Zielvorgaben, wenn Masse oder Volumen der untersuchten Proben unterschiedlich oder nicht genau bekannt sind.

Die relative Feuchtigkeit von Luft gibt das Verhältnis der vorhandenen Wasserdampfmenge zur maximal möglichen Wasserdampfmenge für die aktuelle Temperatur an. Da warme Luft mehr Feuchte aufnehmen kann als kalte, ändert sich die relative Luftfeuchtigkeit bei Temperaturänderungen ohne dass der Luft dabei Wasserdampf entzogen oder zugeführt wird. Zeigt ein Feuchtigkeitsmesser eine relative Luftfeuchte von null Prozent steht das aber immer für vollkommen trockene Luft. Eine relative Luftfeuchte von hundert Prozent steht dagegen immer für mit Wasserdampf gesättigte Luft, die bei dieser Temperatur keine weitere Feuchtigkeit aufnehmen kann. Nicht jedes Feuchtigkeitsmessgerät kann für den kompletten Bereich von 0 bis 100 Prozent die Feuchte bestimmen.

Die Taupunkttemperatur der Luft ist definiert als die Temperatur, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist, also keinen weiteren Wasserdampf aufnehmen kann. Die relative Luftfeuchtigkeit der mit Wasserdampf gesättigten Luft liegt bei hundert Prozent. Da warme Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann als kalte, ist die Taupunkttemperatur von der jeweiligen Lufttemperatur und dem Feuchtegehalt der Luft abhängig. Eine Möglichkeit die Taupunkttemperatur zu bestimmen ist das Abkühlen von Metall bis sich die Oberfläche mit Tauwasser beschlägt. Dann ist die Temperatur des abgekühlten Metalls die Taupunkttemperatur. Viele Feuchtigkeitsmesser für Luft oder Gase können aus Tabellenwerten mit den aktuellen Messwerten für Temperatur und Luftfeuchtigkeit den Taupunkt ermitteln und auf dem Display anzeigen.

Die relative Feuchtigkeit von Materialien gibt den Wassergehalt in Prozent an. Bei einigen Materialien ist es üblich, die angestrebten Zielwerte für die Feuchte als Prozentwert der Trockenmasse vorzugeben. Gibt ein Feuchtigkeitsmessgerät den Wasseranteil aber als Prozentwert bezogen auf die Gesamtmasse einschließlich Wasser an, muss dieser Wert vor dem Vergleich mit dem Zielwert umgerechnet werden.

Die Gleichgewichtsfeuchte eines Materials stellt sich ein, wenn wasseraufnahmefähige Materialien weder Feuchte aus der Umgebungsluft aufnehmen, noch an sie abgeben. Für festgelegte Umgebungsbedingungen wie beispielsweise 20 Grad Celsius und 50 Prozent Luftfeuchtigkeit gibt es für jedes sorptionsfähige Material charakteristische Werte. Wird mit einem Feuchtigkeitsmessgerät ein höherer Wert gemessen, bedeutet das, dass das Material Feuchte an die Umgebung abgeben wird.

Wie bereits durch die Begriffserklärungen deutlich wurde, ist zunächst grundsätzlich zu unterscheiden, ob ein Feuchtigkeitsmessgerät zur Messung des gasförmigen Wassers in Luft oder zur Messung der Feuchte in anderen wasseraufnahmefähigen Materialien eingesetzt werden soll. Im Englischen wird schon durch die verschiedenen Begriffe Humidity und Moisture klar, worum es geht. Im Deutschen gibt es diese klare Unterscheidung nicht, der Begriff Hygrometer wird allerdings fast ausschließlich für Feuchtigkeitsmesser zur Bestimmung der Luftfeuchte verwendet.

Bei der Luftfeuchte gibt es verschiedene Gerätevarianten zum

• Messen im Freien
• Messen in Aufenthaltsräumen
• Kontrollieren der Luftfeuchte in Lagerräumen
• Überwachen der Luftfeuchte in Produktionsräumen

Die Feuchtigkeitsmesser für andere Substanzen können eingeteilt werden in Modelle für

• Einzelmessungen der Materialfeuchte am Einsatz- oder Lagerort
• Dauermessungen des Feuchtegehalts am Einsatz- oder Lagerort
• die Bestimmung der Materialfeuchte im Labor

Feuchtigkeitsmesser zur Bestimmung der Luftfeuchte im Freien
Ein Feuchtigkeitsmessgerät für die Luftfeuchtigkeit im Freien ist Bestandteil fast jeder Wetterstation. Meist können die Messdaten nicht nur angezeigt, sondern auch gespeichert oder gesendet werden. Da die relative Luftfeuchtigkeit temperaturabhängig ist, messen und zeigen diese Geräte neben der relativen Luftfeuchte auch immer die Lufttemperatur. Bei richtiger Auswertung lassen die Daten Rückschlüsse auf das aktuelle Wetter und kurzfristige Wetterprognosen zu. Die Messdaten können außerdem verwendet werden, um bei bedarfsgerechter Lüftung über Fenster oder Lüftungsanlagen den Luftfeuchtewert in Räumen gezielt zu beeinflussen.

Neben diesen stationären Geräten gibt es auch Feuchtigkeitsmesser für temporäre Messungen im Freien. Sie werden beispielsweise genutzt, um die Feuchte- und Temperaturwerte verschiedener Standorte zu vergleichen. Eine andere Anwendung ist die Ermittlung des Hitzestressindex im Freien, um Arbeitnehmer oder Sportler vor erhöhter körperlicher Belastung durch Hitze und Feuchtigkeit warnen zu können. Ein Feuchtigkeitsmessgerät zur Ermittlung des Hitzestressindex ermittelt zusätzlich die Feuchttemperatur und die Strahlungstemperatur.

Bestimmung der Luftfeuchte in Aufenthaltsräumen mit einem Feuchtigkeitsmessgerät
Die Luftfeuchte in Aufenthaltsräumen beeinflusst nicht nur die darin befindlichen Materialien, sondern auch das Wohlbefinden der Personen, die sich im Raum aufhalten. Bei zu niedriger Luftfeuchtigkeit im Winter können die Schleimhäute gereizt werden, bei zu hoher Luftfeuchte kann es zu Unwohlsein und verstärkter Kreislaufbelastung kommen. Zu hohe Luftfeuchtewerte können außerdem zu Tauwasser und Schimmelbildung führen.

Einige Feuchtigkeitsmesser können außer Luftfeuchte und Lufttemperatur auch den Taupunkt und die Feuchttemperatur bzw. Feuchtkugeltemperatur ermitteln. Die Taupunkttemperatur ermöglicht es abzuschätzen, ob sich auf kälteren Oberflächen Tauwasser bildet. Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte. Wenn die warme Luft an kalten Oberflächen abkühlt, wird aus dem Wasserdampf, der nicht mehr gehalten werden kann, flüssiges Wasser. Dieses flüssige Wasser setzt sich auf den kalten Oberflächen ab und kann dort zu Schimmel oder Korrosion führen. Bei Schimmel an Außenwänden sollte immer untersucht werden, ob es durch zu starke Abkühlung im Bereich von Wärmebrücken die Bildung von Tauwasser begünstigt wurde. Auch die Feuchtkugeltemperatur ist von der relativen Luftfeuchte abhängig. Sie wird zum Beispiel dann mit einem Feuchtigkeitsmessgerät ermittelt, wenn festgestellt werden soll, wie weit sich Räume durch Verdunstungskühlung abkühlen lassen.

Feuchtigkeitsmesser zur Bestimmung der Luftfeuchte bei Produktion, Lagerung und Transport
Jeder kennt Angaben zur relativen Luftfeuchtigkeit für den Betrieb- und die Lagerung von Geräten, Nahrungsmitteln und Rohstoffen und weiß, dass viele Materialien bei zu hoher Feuchte Schaden nehmen. Deshalb spielt die Einhaltung der vorgegebenen Luftfeuchtewerte in vielen Lager- und Produktionsbereichen eine wichtige Rolle. Damit diese Werte eingehalten werden, wird die Luftfeuchte durch ein mobiles oder fest installiertes Feuchtigkeitsmessgerät erfasst. Bei empfindlichen Rohstoffen, Waren, Kulturgütern oder Pflanzen, die bei zu hoher oder zu niedriger Luftfeuchte verderben, wird der Feuchtegehalt der Umgebungsluft kontinuierlich überwacht. Zur Aufzeichnung der Temperatur- und Luftfeuchtewerte während des Transports von Waren oder Materialien werden dagegen meist mobile Datenlogger verwendet, deren Daten erst am Zielort ausgelesen werden.

Je nach Einsatzbedingungen können Modelle mit Direktanzeige oder verschiedenen Daten- und Schaltschnittstellen gewählt werden. Viele Feuchtigkeitsmesser erlauben auch das Speichern der Messdaten in festgelegten Zeitabständen. Nicht nur für Unternehmen, die die Lagerbedingungen aufgrund von Zertifizierungen nach ISO dokumentieren müssen, ist ein festeingebautes Feuchtigkeitsmessgerät mit Datenlogger im Lager- und Produktionsbereich unerlässlich. Ein solches Feuchtigkeitsmessgerät bietet dem Betrieb neben der Visualisierung der Messwerte zusätzlich die Möglichkeit einer lückenlosen Dokumentation. Die Messwerte können nach der Speicherung in verschiedene Datenformate wie Excel, CSV usw. konvertiert werden. Werden Daten direkt per Bus oder Normsignal an eine Prozessleitstelle übermittelt, können auch Einrichtungen zur Belüftung, Beheizung oder Kühlung der Bereiche direkt angesteuert werden.

Für einige Feuchtigkeitsmesser sind verschiedene Filter zum Schutz des Sensorelements verfügbar. So gibt es Sintermetallfilter, die zwar die Luftfeuchtigkeit durchlassen, aber verhindern, dass sich Flüssigkeit auf dem Sensor absetzt und diesen zerstört. Für spezielle Anwendungen sind auch Feuchtigkeitsmesser erhältlich, die beheizte Sensorelemente besitzen. Dadurch ist dieser vor Betauung geschützt und kann auch im Hochfeuchtebereich eingesetzt werden. Für aggressive Umgebungen gibt es PTFE Filter, die vor chemischer Kontamination schützen.

Mobile Feuchtigkeitsmesser zum Bestimmen der Materialfeuchte am Einsatz- oder Lagerort
Bei einem mobilen Feuchtigkeitsmessgerät für Feststoffe muss darauf geachtet werden, für welche Materialien es geeignet ist und wie genau die Messergebnisse unter den jeweiligen Messbedingungen sein können. Ein anderes wichtiges Kriterium sind die notwendigen Voraussetzungen für die Messung. Es gibt Feuchtigkeitsmesser, die auf die Materialoberfläche aufgesetzt werden und bis zu einer Tiefe von etwa zwei bis fünf Zentimeter die Feuchtebedingungen erfassen und anzeigen können. Diese Geräte messen völlig zerstörungsfrei die oberflächennahe Feuchtigkeit. Werden Aussagen zu tieferliegenden Schichten benötigt oder zu Unterschieden in verschiedenen Tiefen, kann ein Feuchtigkeitsmessgerät mit Einstechfühlern verwendet werden. Bei diesen Gerätetypen verbleiben in festen Materialien Einstichlöcher. Für bestimmte Anwendungen wie die Messung der Getreidefeuchte vor der Ernte gibt es besondere Gerätemodelle, bei denen eine Probe des Materials in eine Messkammer eingebracht wird.

Ein Feuchtigkeitsmessgerät für die Materialfeuchte kann auf ein bestimmtes Material oder eine Materialgruppe ausgelegt sein oder über eine relative Skala verfügen, die für viele unterschiedliche Materialien geeignet ist. Einige Modelle haben mehrere materialspezifische Skalen, zum Beispiel für verschiedene Baustoffe und Holzarten und zusätzlich eine relative Skala. Die Geräte mit relativer Skala, können für verschiedenste Materialien eingesetzt werden. Dabei stehen die auf dem Feuchtigkeitsmessgerät angezeigten Zahlenwerte in Digits oder Prozent steht nicht direkt für die relative oder absolute Feuchte des Materials, sondern liefern Vergleichswerte. Bei gleichem Material bedeutet eine höhere Zahl höhere Feuchtigkeit. Diese Feuchtigkeitsmesser können gut zum Vergleich verschiedener Proben und zur schnellen Abgrenzung durchfeuchteter Bereiche eingesetzt werden. Auch das Abtrocknungsverhalten lässt durch mehrfache, zeitlich versetzte Messungen gut kontrollieren.

Eines der weit verbreiteten Messverfahren für die Bestimmung der Materialfeuchte ist das Widerstandsverfahren. In der Praxis bedeutet dies, dass zwei Fühler in das Material gebracht werden und zwischen diesen Fühlern der elektrische Widerstand gemessen wird. Im Feuchtigkeitsmessgerät wird dieser Widerstandswert dann in relative Werte oder die materialspezifische Feuchte umgerechnet. Ein weiteres häufiges Messverfahren für mobile Feuchtigkeitsmesser das kapazitive Messverfahren. Dieses Verfahren arbeitet zerstörungsfrei. Nach Kontakt mit der Materialoberfläche wird ein elektrisches Feld aufgebaut und dann dessen Kapazität gemessen. Je feuchter ein Material ist, umso höher ist die Kapazität. Das Feuchtigkeitsmessgerät ermittelt daraus den relativen oder materialspezifischen Feuchtewert. Für Einzelmessungen in locker gelagerten Materialien wie Getreide oder Heu gibt es andere Feuchtigkeitsmesser, die mit einer Lanze ausgestattet sind. An der Spitze dieser Lanze sitzt ein Sensor für die relative Luftfeuchte. Ist das Material feuchter als die bei den herrschenden Umgebungsbedingungen übliche Ausgleichsfeuchte, wird Feuchte an die Umgebung abgegeben und der Sensor misst einen höheren Wert. Über interne Kalibrierkennlinien rechnet das Feuchtigkeitsmessgerät den Wert der relativen Luftfeuchte dann direkt in die entsprechende Materialfeuchtigkeit um.

Stationäre Feuchtigkeitsmesser zum Bestimmen der Materialfeuchte am Einsatz- oder Lagerort
Wenn die Feuchtigkeit von fließfähigen Schüttgütern, wie zum Beispiel Emulsionen, Kunststoffgranulat, Sand, Sägespäne oder Getreide während der Lagerung oder im Transport oder Verarbeitungsprozess ständig überwacht werden soll, wird ein speziell auf das Material abgestimmtes stationäres Feuchtigkeitsmessgerät verwendet. Die Sensoren werden direkt im Material, also im Silo, auf dem Fließband oder in der Transportleitung platziert und deshalb auch als Inline Feuchtigkeitsmesser bezeichnet. Auch für andere Anwendungen wie zum Beispiel die Holztrocknung gibt es spezielle Inline Feuchtigkeitsmesser. Solch ein Inline Feuchtigkeitsmessgerät verfügt in der Regel über eine oder mehrere Schnittstellen, über die die Messwerte direkt an Auswerte- oder Regelgeräte übertragen werden. Dadurch kann bei Feuchtigkeitsschwankungen sofort automatisch gegengesteuert werden.

Bestimmen der Materialfeuchte im Labor
Für viele Anwendungen wird die Feuchtigkeit an Proben im Labor gemessen. Dort können auch aufwendige Messungen mit empfindlichen Geräten durchgeführt und stabile Umgebungsbedingungen gewährleistet werden. Eine klassische Labormethode zur Bestimmung der Materialfeuchte ist die Darrmethode. Bei der Darrmethode wird die Materialprobe bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Dazu werden Trocknungsöfen und Präzisionswaagen benutzt. Der Gewichtsunterschied zwischen Ausgangsgewicht und Trockengewicht entspricht dann dem Feuchteanteil. Die Darrmethode ist zur Feuchtebestimmung bei unterschiedlichsten Materialien geeignet. Damit nur Wasser und keine anderen Bestandteile ausgasen, gibt es in vielen materialspezifischen Normen klare Vorgaben, bei welchen Temperaturen zu trocknen ist. Eine einfachere Anwendung der Darrmethode für kleine Probenmengen wird durch die sogenannten Feuchtebestimmerwaagen oder Trocknungswaagen ermöglicht. Diese Feuchtigkeitsmesser sind Präzisionswaagen mit beheizbarer Trocknungskammer. Bei vielen Modellen können automatische Trocknungsabläufe eingestellt und die Ergebnisse sowohl als absoluter als auch als relativer Wert ausgegeben werden. Bei hochwertigen Geräten kann außerdem gewählt werden, ob die relative Feuchte als prozentualer Anteil der Gesamtmasse oder der Trockenmasse berechnet werden soll.

Mit einem Klimaschrank lassen sich im Labor auch die Gleichgewichtsfeuchten von Materialproben bei festgelegten Bedingungen feststellen. Die mit dem Klimaschrank oder der Darrmethode ermittelten Werte können auch zur Erstellung von materialspezifischen Referenzkurven genutzt werden. Ein Feuchtigkeitsmessgerät, das über Hilfsgrößen wie den elektrischen Widerstand oder die elektrische Kapazität misst, kann über solche Vergleichswerte auf ein spezielles Material angepasst werden und dann dessen relative Feuchtigkeit anzeigen.

Beim Kalibrieren werden Messgeräte auf ihre Genauigkeit überprüft. Alle neuen Feuchtigkeitsmesser werden kalibriert ausgeliefert. Das bedeutet, neue Feuchtigkeitsmesser halten die in der jeweiligen Gerätespezifikation angegebene Genauigkeit ein. Durch zeitliche Drift oder Verschmutzung des Feuchtesensors, aber auch durch andere Einflüsse kann es zu einem Absinken der Genauigkeit kommen. Deshalb sollten Feuchtigkeitsmesser bei denen hohe Ansprüche an die Genauigkeit der Messergebnisse bestehen in regelmäßigen Abständen neu kalibriert werden. Wird bei der Kalibrierung festgestellt, dass ein Feuchtigkeitsmessgerät die Anforderungen an die Genauigkeit nicht erfüllt, muss das Gerät justiert, repariert oder durch ein neues ersetzt werden. Werden Feuchtigkeitsmesser zum Kalibrieren in ein externes Kalibrierlabor geschickt, sollte darauf geachtet werden, dass die zum Anwendungsbereich des Gerätes passenden Referenzpunkte angegeben werden. Einige Gerätemodelle bieten zudem spezielle Ausstattungen oder Funktionen mit denen die Kalibrierung durch den Nutzer vereinfacht wird.