Hygrometer

Der Begriff Hygrometer setzt sich zusammen aus den griechischen Wörtern hygrós und métron, welche feucht bzw. nass und Maß bedeuten. Ein Hygrometer ist also entsprechend der Wortherkunft ein Messgerät zur Bestimmung von Feuchtemengen. Die Bezeichnung Hygrometer wird allerdings nicht allgemein für Feuchtemessgeräte verwendet, sondern speziell für Geräte zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit. Weil die Luftfeuchtigkeit eine entscheidende Rolle für viele biologische, physikalische und chemische Prozesse beeinflusst, wird sie gemessen und bei Bedarf gezielt gesteuert.

Fast jeder kennt Hygrometer zur Anzeige der Luftqualität in Wohnungen und Büros, in Lager- und Produktionsräumen und an Wetterstationen zur Messung der Außenluft. Für die relative Luftfeuchte sind unterschiedliche Abkürzungen gebräuchlich, die häufig auch auf dem Display zur Kennzeichnung der Messwerte verwendet werden. Dazu gehören rel. F., r.F. und in Anlehnung an das englische „relative humidity“ r.H. und RH.

Absolute Luftfeuchte (Wasserdampfgehalt der Luft)
Die absolute Luftfeuchtigkeit wird in Gramm Wasserdampf pro Kubikmeter trockener Luft angegeben. Sie kann durch Einträge aus der Umgebung wie Atmung und Verdunstung erhöht, durch die Sorptionsfähigkeit von Materialien in der Umgebung aber auch verringert werden. Die Angabe des Wasserdampfgehalts in Gramm pro Kilogramm trockener Luft wird als Feuchtegrad bezeichnet.

Relative Luftfeuchte
Ein relativer Wert bezieht sich immer auf den Vergleich zweier Größen und wird oft in Prozent angegeben. Bei der relativen Luftfeuchtigkeit wird die aktuelle Feuchtemenge nicht mit der Menge der trockenen oder durchfeuchteten Luft verglichen, sondern mit der Höchstmenge an Wasserdampf, die die Luft unter den jeweiligen Bedingungen enthalten kann. Damit ergibt sich der Höchstwert der zu messenden relativen Luftfeuchte zu 100 Prozent. Dagegen sind bei Materialfeuchten bei denen der Wassergehalt auf die Trockensubstanz des Materials bezogen wird, auch weit höhere Werte der relativen Feuchte möglich und messbar. Die von Luft maximal aufnehmbare Wasserdampfmenge wird als Sättigungsmenge bezeichnet.

Da diese Sättigungsmenge abhängig von Temperatur und Druck ist, ändert sich die relative Luftfeuchtigkeit bei Temperatur- oder Druckveränderungen auch ohne dass Wasserdampf zugeführt oder entfernt wird. Wasserdampfmengen oberhalb der Sättigungsmenge werden als flüssiges Wasser abgegeben. Die Schwankungen des atmosphärischen Luftdrucks haben einen verhältnismäßig geringen Einfluss, sollten aber insbesondere bei hochsensiblen Messungen und bei der Kalibrierung der Hygrometer berücksichtigt werden. Bei Druckluftanwendungen spielt der Zusammenhang zwischen Luftfeuchte und Luftdruck aber eine wichtige Rolle.

Taupunkt bzw. Taupunkttemperatur
Warme Luft kann mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte und bei niedrigem Luftdruck mehr als bei hohem. Wird Luft die Wasserdampf enthält soweit abgekühlt, dass die relative Feuchtigkeit 100 Prozent erreicht, führt jede weitere Temperaturabsenkung dazu, dass aus dem überschüssigen Wasserdampf flüssiges Wasser gebildet wird. Dieses Wasser wird als Tauwasser bezeichnet. Die Temperatur bei der 100 Prozent relative Luftfeuchte erreicht sind, heißt Taupunkttemperatur. Da warme Luft auch an kalten Oberflächen abgekühlt wird, kann sich Tauwasser auch an kalten Flächen in warmen Räumen bilden. Dieser Effekt ist gut zu beobachten, wenn Brillenträger aus der Kälte in warme Räume kommen und sich Tauwasser auf der Brille absetzt. Ab welcher Oberflächentemperatur sich Tauwasser bildet, ist abhängig von der aktuellen Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit. Viele Hygrometer können für die gemessene Lufttemperatur und Luftfeuchte auch den zugehörigen Taupunkt angeben.

Tabelle 1: Taupunkt bei normalem Luftdruck in Abhängigkeit von Lufttemperatur und Luftfeuchte

Wegen der Vielzahl an verfügbaren Gerätemodellen sollten zuerst die Mindestanforderungen definiert werden, die das Hygrometer erfüllen muss. Oft ist es sinnvoll, bei diesen Mindestanforderungen vorrangig den Zweck für den das Gerät verwendet werden soll zu berücksichtigen.

Einsatzzweck und Einsatzbedingungen für das Hygrometer
Je nach Einsatzzweck können völlig unterschiedliche Anforderungen an das Hygrometer bestehen. Beispiele für verschiedenartige Anwendungen sind:

• Messung der aktuellen Luftfeuchte in Innenräumen Die Luftfeuchte in Wohn- und Arbeitsräumen wirkt sich auf Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit aus. Deshalb werden oft Hygrometer genutzt, um zu hohe oder zu niedrige Luftfeuchtewerte zu erkennen und bedarfsgerecht zu lüften. Diese Hygrometer sollten eine für den Anwender gut ablesbare Anzeige besitzen und eventuell zusätzliche optische oder akustische Warnfunktionen. Auch bei Feuchteschäden in Innenräumen werden Hygrometer eingesetzt, um zu klären, ob die Luftfeuchte zu den Ursachen gehört. Hierfür bieten sich vor allen die Hygrometer an, mit denen auch der Taupunkt ermittelt werden kann und zusätzlich die Oberflächentemperatur von Bauteilen.
• Messung der Luftfeuchte für den Außenbereich Die Luftfeuchte im Außenbereich ist nicht nur für Niederschlagsprognosen wichtig, sondern sollte auch für die Beurteilung der körperlichen Belastung bei Sport und Arbeiten im Freien berücksichtigt werden. Deshalb gehört bei fast jeder Wetterstation auch ein Hygrometer zu den Messinstrumenten. Die Messdaten des Sensors werden oft an Anzeigeeinheiten in Innenräumen oder an andere Geräte übertragen und auf diesen angezeigt, gespeichert und ausgewertet.
• Messung und Speicherung der Luftfeuchte über längere Zeiträume Häufig werden Hygrometer als Datenlogger eingesetzt, beispielsweise um in Wohnungen mit Feuchteschäden das Heiz- und Lüftungsverhalten zu dokumentieren oder um die Feuchte und Temperatur während eines Transportes oder an schwer zugänglichen Standorten aufzuzeichnen.
• Messung und Steuerung der Luftfeuchte in Produktions- und Lagerräumen Bei einigen Produkten spielt die richtige Luftfeuchte während der Herstellung und Lagerung eine entscheidende Rolle für die Qualität. Sowohl zu niedrige als auch zu hohe Luftfeuchten können Produkte oder Materialien unbrauchbar machen. Deshalb werden in diesen Bereichen Hygrometer eingesetzt, die die Luftfeuchte kontinuierlich überwachen und die Daten anzeigen oder weiterleiten.

Messbereich und Genauigkeit vom Hygrometer
Nicht alle Hygrometer können den Bereich von 0 bis 100 Prozent relative Luftfeuchte komplett abdecken. Für die meisten Einsatzzwecke ist das aber auch gar nicht erforderlich. Wichtig ist aber, dass die Genauigkeit der Hygrometer meist nicht über den gesamten Messbereich konstant ist. Achten Sie darauf, wie die Genauigkeit angegeben wird und ob diese für Ihre Anwendung genügt.

Zusätzliche Messgrößen und Rechenwerte bei einem Hygrometer
Fast alle digitalen Hygrometer messen nicht nur die relative Luftfeuchtigkeit, sondern auch die Lufttemperatur, sind also Thermo-Hygrometer. Bei vielen Modellen wird aus relativer Luftfeuchte und Lufttemperatur auch der Taupunkt ermittelt und angezeigt. Einige Hygrometer zeigen auch die absolute Luftfeuchte in Gramm pro Kubikmeter oder die Feuchtkugeltemperatur an. Mit einem Hygrometer mit zusätzlichem Infrarotsensor oder Oberflächentemperaturfühler können direkt auch die Temperaturen von Bauteiloberflächen gemessen werden. Andere Gerätetypen haben zusätzliche Sensoren mit denen auch der Luftdruck oder zusätzliche Luftqualitätswerte wie der CO2-Gehalt, die Partikelmenge oder der Formaldehydgehalt bestimmt werden können.

Speichermöglichkeiten beim Hygrometer
Bei einem Hygrometer, das als Datenlogger eingesetzt werden soll, ist es oft wichtig, über welchen Zeitraum Daten aufgezeichnet werden können. Die Anzahl der zu speichernden Messwerte wird unter anderem durch die Speicherkapazität begrenzt. Für Langzeitmessungen spielt es deshalb eine große Rolle, welche Zeittakte für die Einzelmessungen eingestellt werden können. Bei einem Hygrometer, das über Batterie betrieben wird, spielt außerdem deren Laufzeit eine Rolle für den maximalen Zeitraum, für den Daten erfasst werden können. Einige Hygrometer speichern auf wechselbaren Micro-SD-Karten, andere Hygrometer sind klein und kompakt wie ein USB-Stick und können zum Speicher auslesen direkt an die USB-Schnittstelle eines PCs oder Laptops angeschlossen werden.

Schnittstellen beim Hygrometer
Hygrometer können mit Schnittstellen ausgestattet sein, um aktuell gemessene oder gespeicherte Daten auf einen Computer zu übertragen. Oft gibt es spezielle Software zum Gerät, die die Messdatenauswertung und die Konfiguration für die nächste Messung vereinfacht. Hygrometer für sensible Bereiche in Industrie oder Logistik sollen darüber hinaus oft über Analog- oder Schaltschnittstellen verfügen, damit Prozesse automatisch geregelt werden können.

Funktionsprinzip und bauliche Ausführung bei einem Hygrometer sind nicht nur entscheidend dafür, bei welchen Temperaturen und Feuchtewerten die Geräte eingesetzt werden können. Sie haben auch maßgeblichen Einfluss darauf, ob mit dem Hygrometer neben der relativen Luftfeuchte auch andere Klimawerte ermittelt werden.

Das Haarhygrometer als Absorptions-Hygrometer
Viele Materialien können Feuchte als Wasserdampf aus ihrer Umgebung aufnehmen oder an diese abgeben bis ein Feuchtegleichgewicht erreicht ist. Ändern sie dabei ihre Eigenschaften, kann dies zur indirekten Messung der relativen Luftfeuchte genutzt werden. Je nach Struktur des Materials kann sich durch die Feuchteänderung beispielsweise dessen Ausdehnung mehr oder weniger stark verändern. Entfettete Haare eignen sich gut zur Messung der Luftfeuchte, weil die feuchtebedingte Längenänderung nicht wesentlich durch die Temperatur beeinflusst wird.

Um die Luftfeuchte bequem ablesen zu können, wird dieser Typ der analogen Hygrometer mit Zeiger und Skala ausgestattet. Während zu Beginn stets Echthaar von Menschen, Pferden oder Schafen für diese Hygrometer eingesetzt wurde, werden inzwischen viele mit synthetischem Material ausgestattet. Hygrometer mit Echthaar reagieren schnell und können bei Temperaturen von -35 bis 65 Grad Celsius verwendet werden. Sie müssen jedoch, wenn sie vorrangig in trockenen Innenräumen genutzt werden, regelmäßig bei hohen Feuchtewerten regeneriert werden. Sonst trocknet das Haar zu stark aus. Mit einem üblichen Haarhygrometer wird nur die relative Luftfeuchte erfasst.

Absorptions-Hygrometer mit Polymersensoren
Auch einige Kunststoffe reagieren gut messbar auf die relative Feuchte ihrer Umgebung. Mit den heute weit verbreiteten Polymersensoren kann die Luftfeuchte direkt über die Änderung des elektrischen Widerstandes oder der elektrischen Kapazität bestimmt werden. Meist werden diese kompakten digitalen Hygrometer mit einem zusätzlichen Bauteil zur Messung der Temperatur ausgerüstet. Aus den gemessenen Werten für Temperatur und relative Luftfeuchte kann ein entsprechend ausgestattetes Hygrometer auch die absolute Feuchte und den Taupunkt ermitteln.

Das Schleuderhygrometer als Aspirations-Hygrometer
Die Umgebungstemperatur sinkt, wenn Wasser verdunstet. Das ist am eigenen Körper spürbar, wenn man längere Zeit mit nasser Kleidung unterwegs ist. Das Schwitzen in der Sommerhitze und in der Sauna ist ein aktiver Kühlprozess um die Körpertemperatur zu regulieren. Die Kühlung funktioniert dabei um so effektiver je trockener die Umgebungsluft ist. Wird die mit Feuchtigkeit angereicherte Luft von der Feuchtequelle durch Wind abtransportiert, kann schnell trockene Luft nachfließen und wieder Feuchte aufnehmen. Um den Kühleffekt der Verdunstung zu bestimmen, kann die Temperatur jeweils an einem trockenen und einem befeuchteten Thermometer gemessen werden.

Da die Temperaturdifferenz in direktem Zusammenhang mit der relativen Luftfeuchte der Umgebung steht, lässt sich aus Feucht- und Trockentemperatur die Luftfeuchte ermitteln. Hygrometer die nach diesem Prinzip arbeiten, werden auch Psychrometer genannt. Diese Hygrometer weisen bei richtiger Anwendung eine Genauigkeit von 0,5 bis 1,0 Prozent auf und sind damit sehr präzise. Dazu muss das feuchte Thermometer allerdings beständig mit Luft umspült werden. Zu den gebräuchlichsten Typen bei denen die feuchte Luft abgeführt wird gehören das Aspirationspsychrometer nach Assmann und das Schleuderpsychrometer. Während beim Hygrometer nach Assmann der Luftwechsel durch einen integrierten Ventilator erzeugt wird, wird das Schleuder Hygrometer tatsächlich geschleudert.

Hygrometer die den Verdunstungseffekt zur Messung der relativen Luftfeuchte nutzen, ermitteln immer auch die Lufttemperatur als Temperatur des trockenen Thermometers und die Feuchttemperatur als Temperatur des befeuchteten Thermometers. Die Feuchttemperatur wird auch als Feuchtkugeltemperatur bezeichnet. Dieser Wert gibt beispielsweise an, wie weit Luft mit den aktuellen Werten durch Verdunstung herabgekühlt werden kann.

Das Taupunktspiegel-Hygrometer
Wird feuchte Luft abgekühlt, steigt die relative Luftfeuchtigkeit obwohl von außen kein Wasser zugeführt wird. Da die Sättigungsmenge bei niedrigen Temperaturen geringer ist, kann die kalte Luft weniger Wasserdampf halten und gibt das überschüssige Wasser als Nebel, Regen oder Tauwasser ab. Dieser Effekt kann zur Messung der relativen Luftfeuchte genutzt werden. Dazu wird ein kleiner Spiegel solange gekühlt, bis sich Tauwasser auf der kalten Oberfläche absetzt. Dann wird aus der Temperaturdifferenz zwischen Spiegeloberfläche und Umgebungsluft die relative Luftfeuchte ermittelt. Mit einem Hygrometer dieser Bauart wird nicht nur die Luftfeuchte, sondern gleichzeitig auch die Lufttemperatur und die Taupunkttemperatur bestimmt.

Spektrometer als Hygrometer
Spektrometer messen Licht. Nutzt ein Spektrometer eine Wellenlänge, die Wassermoleküle zum Schwingen anregt, wird dadurch ein Teil des Lichts absorbiert und es trifft weniger Licht auf die Photozelle. Aus der Stärke der Abschwächung der Lichtintensität durch die Wassermoleküle kann mit diesem Typ Hygrometer die absolute Feuchte des Gases ermittelt werden. Mit geeigneten Spektrometern ist es möglich auch sehr niedrige Feuchtewerte in Gasen zu messen, beispielsweise Konzentrationen von nur 2 bis 10.000 ppm – also weniger als 10 Millilter Wasser pro Liter Luft.

Hygrometer deren Messwerte als Grundlage für die Regelung des Raumklimas oder zur Überwachung und Steuerung technischer Prozesse dienen, sollten regelmäßig kalibriert werden. Wird bei der Kalibrierung festgestellt, dass das Hygrometer die gewünschte Genauigkeit im für die Anwendung relevanten Messbereich nicht erreicht, muss es justiert oder ersetzt werden.

Einige Hygrometer können mit Feuchte-Referenzen aus gesättigten Salzlösungen kalibriert werden. In den Behältern mit der Salzlösung stellen sich jeweils charakteristische Luftfeuchtewerte als Ausgleichsfeuchte ein. Mit diesen Referenzen ist es möglich, Hygrometer zu überprüfen deren kapazitive, resistive oder elektrolytische Messfühler in die Messkammer einbracht werden können. Der eingebrachte Sensor muss für die Messung so abgedichtet werden, dass keine Umgebungsluft in den Behälter dringt. Diese Referenzen können nur bei Temperaturen von 20 bis 40 °C verwendet werden und eignen sich nicht für Hygrometer mit thermischen Messprinzipien.

In Kalibrierlaboren werden Hygrometer häufig zusammen mit einem geprüften Referenzgerät höherer Genauigkeit in Klimaschränken kalibriert. Das Referenzgerät liefert die Sollwerte, mit denen die Messwerte des zu prüfenden Geräts verglichen werden. Bei einer Zertifizierung und Laborkalibrierung der Hygrometer wird ein Prüfprotokoll mit den Adressdaten des Auftraggebers ausgestellt, damit dieser die kalibrierten Geräte in seinen betriebsinternen ISO-Prüfmittelpool aufnehmen kann. Das ISO-Kalibrierzertifikat bestätigt die ermittelte Genauigkeit und beschreibt die Bedingungen der Kalibrierung.

Hier einige weitere Informationen zu Begriffen im Zusammenhang mit der Kalibrierung:

Kalibrieren
Prüfen der Richtigkeit von Messgrößen der Hygrometer ohne Eingriff ins Messsystem oder Ermitteln der systematischen Abweichung der Anzeige des Messgeräts vom wahren Wert der Messgröße.

Kalibrierschein oder Kalibrierzertifikat
Dokumentiert die messtechnischen Eigenschaften der Messgeräte sowie die Rückführbarkeit auf das nationale Normal.

Kalibrierintervall
Um sicher zu sein, dass die ermittelten Messwerte dauerhaft korrekt sind, müssen die verwendeten Messgeräte in regelmäßigen Abständen überwacht bzw. kalibriert werden. Der Zeitraum zwischen den Kalibrierungen wird als Kalibrierintervall bezeichnet. Es gibt keine allgemein verbindliche Festlegung, wann ein Messgerät rekalibriert werden muss. Wichtige Punkte bei der Festlegung des Intervalls sind:

• die Messgröße und die Auswirkungen von Fehlmessungen
• die Beanspruchung des Messgeräts
• die Einsatzhäufigkeit
• die Umgebungsbedingungen
• die Stabilität der zurückliegenden Kalibrierungen
• die erforderliche Messgenauigkeit
• Festlegungen des betrieblichen Qualitätssicherungssystems

Das bedeutet, dass der Abstand zwischen zwei Kalibrierungen letztendlich vom Anwender selbst festgelegt und überwacht werden muss. Bereits bei der Anschaffung neuer Hygrometer sollte darauf geachtet werden, dass diese möglichst einfach zu kalibrieren sind. Hochwertige Hygrometer die für wichtige Messungen eingesetzt werden, sollten außerdem mit Hilfe der Kalibrierwerte justiert werden können.

Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit von der Lufttemperatur
Bei normalem Luftdruck führt eine Wasserdampfmenge von 10 g/m³ zu folgenden relativen Luftfeuchtewerten:

Die Zusammenhänge zwischen Temperatur und Luftfeuchtigkeit werden häufig auch in Nomogrammen dargestellt. In diesem Diagramm kann, wenn Lufttemperatur und Luftfeuchte bekannt sind, abgelesen werden, wie weit die Luft abkühlen darf bis Tauwasser anfällt. Gemessen werden also die Temperatur der Raumluft, die relative Luftfeuchte und die Temperatur an kalten Oberflächen. Einige Hygrometer können neben der Luftfeuchte sowohl die Lufttemperatur als auch die Temperatur von Oberflächen über Kontaktfühler oder Infrarotsensoren messen. Mit diesen Messwerten kann aus dem Diagramm abgelesen werden, wie weit die Luftfeuchte bei Abkühlung ansteigt.

Situation 1:
Raumtemperatur 20 °C, Luftfeuchte 40 %, niedrigste Oberflächentemperatur 14 °C Ausgehend vom Schnittpunkt der 40 % Luftfeuchtekurve mit der waagerechten 20 °C Linie wird eine senkrechte Linie bis zur waagerechten 14 °C Linie gezogen. Der Schnittpunkt dieser Linien liegt zwischen den Kurven für 50 % und 60 % Luftfeuchtigkeit. Die senkrechte Linie kann weiter nach oben gezogen werden, bis sie auf die Kurve für 100 % Luftfeuchte trifft. Mit diesem Punkt kann, auf der Temperaturskala die Taupunkttemperatur mit etwa 6 °C abgelesen werden.

Situation 2:
Raumtemperatur 20 °C, Luftfeuchte 60 %, Oberflächentemperatur 11 °C
Die Luftfeuchte steigt an der kälteren Oberfläche über 100 % und es entsteht Tauwasser. Der Taupunkt liegt bei etwa 12 °C.

Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit vom Luftdruck
Bei gleichbleibender Lufttemperatur ändern sich die relative Luftfeuchte und der Taupunkt bei Druckerhöhung. Hier Beispielwerte für eine Lufttemperatur von 25 °C: