Thermo-Hygrometer

Temperatur und Luftfeuchte gehören zu den in der Umgebung von Lebewesen, Geräten, Materialien und Rohstoffen am häufigsten gemessenen Werten. Da die relative Luftfeuchte in direktem Zusammenhang mit der Lufttemperatur steht, messen viele Hygrometer messen nicht nur die Feuchtigkeit, sondern auch die Temperatur.

Diese Geräte sind also Thermometer und Hygrometer und werden deshalb auch als Thermo-Hygrometer bezeichnet. Bei einigen Methoden zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit ist die Temperaturmessung sogar Voraussetzung zur Ermittlung der Luftfeuchte. Gerätetypen wie das Taupunktspiegel-Hygrometer und das Psychrometer sind praktisch immer Thermo-Hygrometer. Die Geräte, die die Luftfeuchte ohne Temperaturvergleiche bestimmen, sind häufig zusätzlich mit Sensoren zur Temperaturmessung ausgestattet und dadurch auch Thermo-Hygrometer.

Bei Angaben zur Luftfeuchte muss zwischen der relativen und der absoluten Luftfeuchte unterschieden werden. Die meisten Thermo-Hygrometer messen die relative Luftfeuchtigkeit. Aus den Werten für relative Feuchte und Temperatur kann für konstante Druckverhältnissen aber auch die absolute Luftfeuchte bestimmt werden. Die absolute Luftfeuchte wird als konkreter Massen- oder Volumenwert für eine bestimmte Luftmenge angegeben. Gebräuchliche Einheiten für die Feuchte in Luft und anderen Gasen sind Gramm Wasser pro Kubikmeter Luft oder bei sehr kleinen Werten auch Parts per Million bezogen auf den Volumenanteil der Wassermoleküle im Gasgemisch.

Die relative Luftfeuchte gibt das Verhältnis der aktuellen Feuchtemenge zur Sättigungsmenge in Prozent an. Die Sättigungsmenge ist die Menge an Wasserdampf, die die Luft maximal aufnehmen kann. Diese Menge ist abhängig von den herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen und damit ist auch die relative Luftfeuchte temperatur- und druckabhängig. Da warme Luft mehr Wasserdampf aufnehmen kann als kalte, steigt bei Temperaturanstieg die Sättigungsmenge. Gleichzeitig sinkt die relative Feuchte, obwohl sich der Wert der absoluten Feuchte nicht ändert. Dabei haben die üblichen Schwankungen des Luftdrucks weit weniger Auswirkung als Temperaturänderungen. Deshalb wird die relative Feuchte fast immer zusammen mit der Temperatur angegeben.

Messbereich und Messgenauigkeit
Viele Thermo-Hygrometer bieten für die relative Feuchte den maximal möglichen Messbereich von null Prozent für vollkommen trockene Luft bis hundert Prozent für mit Wasserdampf gesättigte Luft. Andere haben einen eingeschränkten Messbereich, beispielsweise von zehn bis neunzig Prozent. Der Messbereich für die Feuchte kann in Teilbereiche mit unterschiedlicher Messgenauigkeit aufgeteilt sein. Beim Messbereich für die Temperatur gibt es weit größere Unterschiede zwischen den Geräten als bei der Feuchte. Beim Vergleich verschiedener Thermo-Hygrometer sollte unbedingt berücksichtigt werden, welche Genauigkeit für die beabsichtigte Anwendung relevant ist.

Einsatzbedingungen
Wie bei anderen Messgeräten muss auch bei einem Thermo-Hygrometer darauf geachtet werden, dass das Gerät für die jeweiligen Einsatzbedingungen geeignet ist. Während es für die Klimaüberwachung bei üblichen Wohn- und Büroräumen eine Vielzahl geeigneter Geräte gibt, sind für Messungen im Außenbereich und in gewerblichen oder technischen Prozessen meist Thermo-Hygrometer mit spezieller Ausstattung erforderlich. Bei diesen muss oft nicht nur die abweichende Bandbreite für die Temperatur berücksichtigt werden, sondern eventuell auch die Funktionsfähigkeit bei Beanspruchung durch Druck, Staub oder aggressive Medien. Für einige Sensoren wurden deshalb spezielle Filter entwickelt.

Gerätemodelle für den stationären oder mobilen Einsatz
Stationäre Thermo-Hygrometer werden beispielsweise in Lagerhallen, Museen, Aufenthalts- und Produktionsräumen installiert, wenn dort die Klimabedingungen überwacht oder gezielt beeinflusst werden müssen. Diese stationären Thermo-Hygrometer gibt es passend für viele Einsatzzwecke, zum Beispiel mit Alarmfunktionen, Großanzeige, Datenspeicher, Schnittstellen zur Datenübertragung, Schalt- oder Analogschnittstelle.

Mobile Thermo-Hygrometer werden nicht nur für Einzelmessungen an verschiedenen Orten genutzt. Sie werden auch eingesetzt, um als Datenlogger die Temperatur- und Feuchtebedingungen bei Transporten zu dokumentieren, die Wirkung der Einstellung von Heiz-, Klima- und Lüftungsanlagen zu kontrollieren oder um Werte zum Heiz- und Lüftungsverhalten der Nutzer von Gebäuden aufzuzeichnen.

Zusätzliche Mess- und Rechengrößen
Viele Modelle der Thermo-Hygrometer können außer der Temperatur und der Luftfeuchte auch den jeweiligen Taupunkt ermitteln und anzeigen. Bei einigen Datenloggern wird der Taupunkt nach Übertragung der Messdaten automatisch in der PC-Software ermittelt. Außerdem bieten einige Geräte zusätzlich die Angabe der Feucht- bzw. Feuchtkugeltemperatur. Diese Temperatur ist der Grenzwert auf den die Luft bei den aktuellen Bedingungen durch Verdunstung von Wasser heruntergekühlt werden kann. Spezielle Thermo-Hygrometer mit zusätzlichem Sensor für die Strahlungswärme können zudem den Hitzestressindex ermitteln. Dieser Wert soll die körperliche Belastung durch Hitze, Feuchte und Strahlungswärme möglichst objektiv erfassen so dass bei hohen Werten zusätzliche Belastungen durch Sport oder körperlich anstrengende Arbeiten vermieden werden. Mit weiteren Sensoren können auch andere Klimawerte erfasst werden.

Hier eine Aufzählung der gebräuchlichen Mess- oder Rechenwerte

- Taupunkt
- absolute Luftfeuchte
- Feuchtkugeltemperatur
- externer K-Typ Temperaturfühler
- Infrarot-Temperaturmessung
- Luftgeschwindigkeit und Volumenstrom
- Hitzestressindex
- Luftdruck
- CO2-Gehalt
- Lichtintensität

Wer häufiger die zusätzlichen Werte benötigt, sollte prüfen, ob es günstiger ist mehrere Einzelgeräte zu verwenden oder ein Thermo-Hygrometer mit zusätzlichen Sensoren. Die Kombigeräte sind häufig so ausgestattet, dass sie sich besonders für ein bestimmtes Einsatzgebiet eignen. Beispiele sind Datenlogger zur Maschinenüberwachung oder Handgeräte für Arbeitsschutz- oder Lüftungsmessungen.

Thermo-Hygrometer werden wie die meisten anderen Messgeräte vor der Auslieferung kalibriert. Da einige Sensortypen aber zur zeitlichen Drift neigen oder durch andere Faktoren in ihrer Genauigkeit eingeschränkt werden können, sollten die Geräte regelmäßig rekalibriert werden. Bei einigen Modellen kann der Anwender die Kalibrierung für die Feuchtemessung mit geeigneten Feuchte-Kalibrierstandards und für die Temperatur mit einem geprüften präzisen Vergleichsthermometer selbst durchführen. Andere Gerätetypen müssen zur Kalibrierung in ein Kalibrierlabor gebracht oder geschickt werden. Im Kalibrierlabor werden die Thermo-Hygrometer dann entweder nach ISO-Standard oder nach den höheren Anforderungen vom Deutschen Kalibrierdienst (DKD) geprüft.

Im Kalibrierlabor werden Thermo-Hygrometer üblicherweise für verschiedene Referenzpunkte im Klimaschrank geprüft. Die Sollwerte werden dabei durch ein geeignetes Vergleichsgerät mit höherer Genauigkeit gemessen. Die Messergebnisse und Messbedingungen der Kalibrierung werden in einem Kalibrierzertifikat bescheinigt, das zusammen mit dem kalibrierten Gerät übergeben oder zugeschickt wird. Mit Hilfe dieser Zertifikate kann die Genauigkeit des Geräts zum jeweiligen Prüfzeitpunkt nachgewiesen werden. Ist ein Kalibrierzertifikat beim Anwender verloren gegangen, kann es beim Kalibrierlabor noch einmal angefordert werden.

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 Thermo-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 Thermo-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

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 Thermo-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:

Funktionsprinzip und bauliche Ausführung bei einem Thermo-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 Thermo-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 Thermo-Hygrometer mit Zeiger und Skala ausgestattet. Während zu Beginn stets Echthaar von Menschen, Pferden oder Schafen für diese Thermo-Hygrometer eingesetzt wurde, werden inzwischen viele mit synthetischem Material ausgestattet. Thermo-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 Thermo-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 Thermo-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 Thermo-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.