Hygrometer

De term hygrometer is afgeleid van de Griekse woorden hygrós en métron, die respectievelijk "vochtig/nat" en "meting" betekenen. Een hygrometer is dus, zoals de naam al suggereert, een meetinstrument voor het bepalen van vochtigheidsniveaus. Echter, de term hygrometer wordt niet gebruikt voor alle soorten vochtigheidsmeters, maar specifiek voor apparaten die de relatieve luchtvochtigheid meten. Omdat luchtvochtigheid een cruciale rol speelt in veel biologische, fysieke en chemische processen, wordt deze gemeten en indien nodig gereguleerd.

Bijna iedereen kent hygrometers die worden gebruikt om de luchtkwaliteit in woningen en kantoren te meten, evenals in opslag- en productieruimten en bij weerstations om de buitenluchtvochtigheid te bepalen. Voor de relatieve luchtvochtigheid zijn verschillende afkortingen in omloop, die vaak ook op het display van het meetapparaat worden gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn rel. F., r.F. en, in navolging van het Engelse "relative humidity", de afkortingen r.H. en RH.

Absolute luchtvochtigheid (hoeveelheid waterdamp in de lucht)
De absolute luchtvochtigheid wordt uitgedrukt in gram waterdamp per kubieke meter droge lucht. Deze waarde kan stijgen door invloeden zoals ademhaling en verdamping, maar kan ook dalen door de absorptie van vocht door materialen in de omgeving. De aanduiding van de hoeveelheid waterdamp in gram per kilogram droge lucht wordt de vochtgraad genoemd.

Relatieve luchtvochtigheid
Een relatieve waarde vergelijkt altijd twee grootheden en wordt vaak in procenten uitgedrukt. Bij relatieve luchtvochtigheid wordt de actuele hoeveelheid vocht niet vergeleken met de droge of verzadigde luchtmassa, maar met de maximale hoeveelheid waterdamp die de lucht onder de huidige omstandigheden kan bevatten. Hierdoor is de maximale meetbare relatieve luchtvochtigheid altijd 100%. In tegenstelling hiermee kunnen bij materiaalvochtmetingen, waarbij de waterinhoud wordt vergeleken met de droge massa van een materiaal, veel hogere waarden van relatieve vochtigheid optreden en worden gemeten. De maximale hoeveelheid waterdamp die de lucht kan opnemen, wordt de verzadigingshoeveelheid genoemd.

Aangezien deze verzadigingshoeveelheid afhankelijk is van temperatuur en druk, verandert de relatieve luchtvochtigheid bij temperatuurs- of drukveranderingen, zelfs zonder dat er waterdamp wordt toegevoegd of verwijderd. Waterdamp boven de verzadigingshoeveelheid wordt als vloeibaar water afgezet. Atmosferische luchtdrukschommelingen hebben een relatief klein effect, maar moeten worden meegenomen bij uiterst precieze metingen en bij de kalibratie van hygrometers. Bij toepassingen met perslucht speelt de relatie tussen luchtvochtigheid en luchtdruk echter een belangrijke rol.

Dauwpunt of dauwpunttemperatuur
Warme lucht kan meer waterdamp opnemen dan koude lucht, en lucht onder lage druk meer dan onder hoge druk. Wanneer lucht met waterdamp zo ver afkoelt dat de relatieve vochtigheid 100% bereikt, zal elke verdere temperatuurdaling ertoe leiden dat overtollige waterdamp als vloeibaar water neerslaat. Dit water wordt dauw genoemd. De temperatuur waarbij de relatieve luchtvochtigheid 100% bereikt, wordt de dauwpunttemperatuur genoemd. Omdat warme lucht ook aan koude oppervlakken afkoelt, kan dauw zich ook vormen op koude oppervlakken in warme ruimtes. Dit effect is goed zichtbaar wanneer brildragers een koude omgeving verlaten en een warme ruimte binnengaan, waarbij de bril beslaat. Op welke oppervlaktetemperatuur dauw zich vormt, is afhankelijk van de actuele luchttemperatuur en luchtvochtigheid. Veel hygrometers kunnen, naast de gemeten luchttemperatuur en luchtvochtigheid, ook het bijbehorende dauwpunt weergeven.

Tabel 1: Dauwpunt bij normale luchtdruk in relatie tot temperatuur en luchtvochtigheid

Vanwege het brede aanbod aan beschikbare modellen is het verstandig eerst de minimale vereisten te definiëren waaraan de hygrometer moet voldoen. Vaak is het nuttig om bij deze minimale vereisten vooral rekening te houden met het doel waarvoor het apparaat zal worden gebruikt.

Toepassingsdoel en gebruiksomstandigheden van de hygrometer
Afhankelijk van de toepassing kunnen volledig verschillende eisen aan de hygrometer worden gesteld. Enkele voorbeelden van uiteenlopende toepassingen zijn:

• Meten van de actuele luchtvochtigheid in binnenruimtes: De luchtvochtigheid in woon- en werkruimtes beïnvloedt het welzijn en de productiviteit. Daarom worden hygrometers vaak gebruikt om te hoge of te lage luchtvochtigheidswaarden te detecteren en dienovereenkomstig te ventileren. Deze hygrometers moeten een goed afleesbaar display hebben en eventueel aanvullende optische of akoestische waarschuwingsfuncties. Ook bij vochtproblemen in binnenruimtes worden hygrometers gebruikt om te bepalen of luchtvochtigheid een rol speelt. Hiervoor zijn vooral hygrometers geschikt die naast de relatieve luchtvochtigheid ook het dauwpunt en de oppervlaktetemperatuur van bouwmaterialen kunnen meten.
• Meten van de luchtvochtigheid buitenshuis: De luchtvochtigheid in de buitenlucht is niet alleen van belang voor neerslagvoorspellingen, maar ook voor het beoordelen van de fysieke belasting bij sport en werk in de buitenlucht. Daarom is bij bijna elk weerstation een hygrometer inbegrepen. De meetgegevens van de sensor worden vaak naar binnenruimtes of naar andere apparaten verzonden en daar weergegeven, opgeslagen en geanalyseerd.
• Meten en opslaan van luchtvochtigheid over langere perioden: Vaak worden hygrometers als dataloggers gebruikt, bijvoorbeeld om in woningen met vochtproblemen het verwarmings- en ventilatiegedrag te documenteren, of om de vochtigheid en temperatuur tijdens transport of op moeilijk bereikbare locaties vast te leggen.
• Meten en regelen van de luchtvochtigheid in productie- en opslagruimtes: Voor sommige producten is de juiste luchtvochtigheid tijdens productie en opslag cruciaal voor de kwaliteit. Zowel te lage als te hoge luchtvochtigheid kan producten of materialen onbruikbaar maken. Daarom worden in deze omgevingen hygrometers gebruikt die de luchtvochtigheid continu monitoren en de gegevens weergeven of doorsturen.

Meetbereik en nauwkeurigheid van de hygrometer
Niet alle hygrometers kunnen het volledige bereik van 0 tot 100 procent relatieve luchtvochtigheid meten. Voor de meeste toepassingen is dit echter ook niet nodig. Belangrijk is dat de nauwkeurigheid van hygrometers meestal niet over het gehele meetbereik constant is. Let op hoe de nauwkeurigheid wordt vermeld en of deze voldoende is voor uw toepassing.

Aanvullende meetparameters en berekeningen bij een hygrometer
Bijna alle digitale hygrometers meten niet alleen de relatieve luchtvochtigheid, maar ook de luchttemperatuur, en worden daarom thermo-hygrometers genoemd. Bij veel modellen wordt ook het dauwpunt berekend en weergegeven op basis van de relatieve luchtvochtigheid en temperatuur. Sommige hygrometers tonen daarnaast de absolute luchtvochtigheid in gram per kubieke meter of de natteboltemperatuur. Een hygrometer met een extra infraroodsensor of oppervlaktetemperatuursensor kan bovendien direct de temperatuur van bouwoppervlakken meten. Andere typen apparaten hebben extra sensoren waarmee ook de luchtdruk of aanvullende luchtkwaliteitsparameters zoals CO₂-gehalte, deeltjesconcentratie of formaldehydegehalte kunnen worden bepaald.

Opslagmogelijkheden van de hygrometer
Bij een hygrometer die als datalogger wordt gebruikt, is het vaak belangrijk om te weten over welke periode gegevens kunnen worden opgeslagen. Het aantal opgeslagen meetwaarden wordt onder andere beperkt door de beschikbare opslagcapaciteit. Bij langdurige metingen is het daarom belangrijk om te weten welke tijdsintervallen voor de individuele metingen kunnen worden ingesteld. Bij een hygrometer die op batterijen werkt, speelt ook de levensduur van de batterij een rol in de maximale registratieduur. Sommige hygrometers slaan gegevens op verwisselbare micro-SD-kaarten op, terwijl andere compacte modellen, vergelijkbaar met een USB-stick, direct op de USB-poort van een pc of laptop kunnen worden aangesloten om de gegevens uit te lezen.

Interfaces bij de hygrometer
Hygrometers kunnen worden uitgerust met interfaces om actuele meetwaarden of opgeslagen gegevens naar een computer over te dragen. Vaak wordt bij het apparaat specifieke software geleverd die de analyse van meetgegevens en de configuratie voor de volgende meting vereenvoudigt. Hygrometers voor kritische toepassingen in de industrie of logistiek zijn vaak ook voorzien van analoge of schakelinterfaces, zodat processen automatisch kunnen worden geregeld.

Het werkingsprincipe en de constructie van een hygrometer bepalen niet alleen bij welke temperaturen en vochtigheidswaarden de apparaten kunnen worden gebruikt, maar hebben ook een grote invloed op de mogelijkheid om naast de relatieve luchtvochtigheid ook andere klimaatgegevens te meten.

Het haarhygrometer als absorptie-hygrometer
Veel materialen kunnen vocht opnemen of afgeven totdat een vochtbalans is bereikt. Wanneer dit de eigenschappen van het materiaal verandert, kan dit worden gebruikt om de relatieve luchtvochtigheid indirect te meten. Bij sommige materialen leidt een vochtverandering bijvoorbeeld tot een verandering in de lengte of uitzetting. Ontvette haren zijn bijzonder geschikt voor het meten van luchtvochtigheid, omdat hun lengteverandering door vocht nauwelijks door temperatuur wordt beïnvloed.

Om de luchtvochtigheid eenvoudig af te kunnen lezen, worden deze analoge hygrometers voorzien van een wijzer en een schaal. Aanvankelijk werd uitsluitend echt haar van mensen, paarden of schapen gebruikt, maar tegenwoordig worden veel modellen vervaardigd met synthetische materialen. Hygrometers met echt haar reageren snel en kunnen worden gebruikt bij temperaturen tussen -35 en 65 °C. Wanneer ze voornamelijk in droge binnenruimtes worden gebruikt, moeten ze echter regelmatig worden geregenereerd bij hoge vochtigheidswaarden om uitdroging van het haar te voorkomen. Een standaard haarhygrometer meet alleen de relatieve luchtvochtigheid.

Absorptie-hygrometers met polymerensensoren
Sommige kunststoffen reageren op een meetbare manier op de relatieve luchtvochtigheid van hun omgeving. Met de tegenwoordig veelgebruikte polymerensensoren kan luchtvochtigheid direct worden gemeten via de verandering in elektrische weerstand of capaciteit. Deze compacte digitale hygrometers worden meestal uitgerust met een extra sensor voor temperatuurmeting. Op basis van de gemeten temperatuur en relatieve luchtvochtigheid kan een geavanceerde hygrometer ook de absolute vochtigheid en het dauwpunt berekenen.

Het slingerhygrometer als aspiratie-hygrometer
De omgevingstemperatuur daalt wanneer water verdampt. Dit effect is merkbaar wanneer je langere tijd met natte kleding buiten bent. Ook zweten bij hitte of in een sauna is een actief koelproces om de lichaamstemperatuur te reguleren. Dit verdampingsproces werkt des te effectiever naarmate de lucht droger is. Wanneer vochtige lucht wordt afgevoerd door wind, kan droge lucht sneller instromen en opnieuw vocht opnemen. De afkoelende werking van verdamping kan worden bepaald door de temperatuur te meten met zowel een droge als een bevochtigde thermometer.

De temperatuurverschillen zijn direct gerelateerd aan de relatieve luchtvochtigheid van de omgeving, waardoor de luchtvochtigheid kan worden bepaald op basis van droge en vochtige temperatuurmetingen. Hygrometers die volgens dit principe werken, worden ook wel psychrometers genoemd. Deze hygrometers zijn bij correct gebruik zeer nauwkeurig, met een meetfout van slechts 0,5 tot 1,0 procent. Om de meetwaarde correct te verkrijgen, moet de vochtige thermometer constant worden omspoeld door lucht. De meest gangbare typen waarbij de vochtige lucht actief wordt afgevoerd, zijn de aspiratiepsychrometer volgens Assmann en de slingerpsychrometer. Bij het hygrometer-type volgens Assmann wordt luchtcirculatie gegenereerd door een ingebouwde ventilator, terwijl een slingerhygrometer daadwerkelijk rondgedraaid wordt.

Hygrometers die gebruik maken van het verdampingseffect meten niet alleen de relatieve luchtvochtigheid, maar ook de luchttemperatuur (droge thermometer) en de vochtige thermometer temperatuur, ook wel de natteboltemperatuur genoemd. Dit geeft bijvoorbeeld aan hoe ver de lucht met de huidige waarden door verdamping kan afkoelen.

Het dauwpuntspiegel-hygrometer
Wanneer vochtige lucht afkoelt, stijgt de relatieve luchtvochtigheid, zelfs als er geen extra water aan wordt toegevoegd. Doordat de maximale vochtcapaciteit bij lagere temperaturen afneemt, kan koude lucht minder waterdamp vasthouden en condenseert het overtollige water als mist, regen of dauw. Dit effect kan worden gebruikt om de relatieve luchtvochtigheid te meten. Hiervoor wordt een kleine spiegel gekoeld totdat dauw zich op het oppervlak afzet. Vervolgens wordt de relatieve luchtvochtigheid berekend op basis van het temperatuurverschil tussen de spiegel en de omgevingslucht. Dit type hygrometer meet niet alleen de luchtvochtigheid, maar ook de luchttemperatuur en het dauwpunt.

Spektrometer als hygrometer
Een spektrometer meet licht. Wanneer een spektrometer een golflengte gebruikt die watermoleculen in trilling brengt, wordt een deel van het licht geabsorbeerd en bereikt minder licht de fotocel. Op basis van de mate van lichtabsorptie door watermoleculen kan dit type hygrometer de absolute vochtigheid van een gas bepalen. Met geschikte spectrometers kunnen zelfs extreem lage vochtigheidswaarden in gassen worden gemeten, bijvoorbeeld concentraties van slechts 2 tot 10.000 ppm – wat minder is dan 10 milliliter water per liter lucht.

Hygrometers waarvan de meetwaarden worden gebruikt voor klimaatregeling in ruimtes of voor monitoring en besturing van technische processen, moeten regelmatig worden gekalibreerd. Als bij kalibratie blijkt dat het hygrometer de vereiste nauwkeurigheid in het relevante meetbereik niet behaalt, moet het worden bijgesteld of vervangen.

Sommige hygrometers kunnen worden gekalibreerd met vochtreferenties van verzadigde zoutoplossingen. In containers met dergelijke zoutoplossingen wordt een karakteristieke luchtvochtigheid bereikt als evenwichtsvochtigheid. Met deze referenties kunnen hygrometers worden gecontroleerd die capacitieve, resistieve of elektrolytische sensoren hebben en in de meetkamer kunnen worden geplaatst. De sensor moet zo worden afgedicht dat er geen omgevingslucht in de container dringt. Deze referentiemethoden zijn alleen toepasbaar bij temperaturen tussen 20 en 40 °C en zijn niet geschikt voor hygrometers met thermische meetprincipes.

In kalibratielaboratoria worden hygrometers vaak gekalibreerd in klimaatkasten samen met een gecontroleerd referentieapparaat van hogere nauwkeurigheid. Het referentieapparaat geeft de referentiewaarden waarmee de meetwaarden van het te testen apparaat worden vergeleken. Bij een certificering en laboratoriumkalibratie van hygrometers wordt een testprotocol met de gegevens van de opdrachtgever verstrekt, zodat het gekalibreerde apparaat kan worden opgenomen in het ISO-kalibratiebeheer van het bedrijf. Het ISO-kalibratiecertificaat bevestigt de gemeten nauwkeurigheid en beschrijft de kalibratieomstandigheden.

Hieronder enkele belangrijke termen met betrekking tot kalibratie:

Kalibreren
Het controleren van de nauwkeurigheid van de meetwaarden van hygrometers zonder in te grijpen in het meetsysteem, of het vaststellen van de systematische afwijking van de weergave ten opzichte van de werkelijke meetwaarde.

Kalibratiecertificaat
Dit documenteert de meeteigenschappen van het apparaat en de traceerbaarheid naar nationale standaarden.

Kalibratie-interval
Om te garanderen dat meetwaarden betrouwbaar blijven, moeten hygrometers regelmatig worden gecontroleerd en gekalibreerd. Het interval tussen kalibraties wordt het kalibratie-interval genoemd. Er zijn geen algemene normen voor wanneer een hygrometer opnieuw moet worden gekalibreerd. Factoren bij het bepalen van het interval zijn onder meer:

• De meetgrootheid en de impact van meetfouten
• De belasting van het meetapparaat
• De gebruiksfrequentie
• De omgevingsomstandigheden
• De stabiliteit van eerdere kalibraties
• De vereiste meetnauwkeurigheid
• Interne kwaliteitsborgingsvoorschriften

Dit betekent dat de gebruiker uiteindelijk zelf verantwoordelijk is voor het vaststellen en naleven van het kalibratie-interval. Bij de aanschaf van nieuwe hygrometers is het belangrijk om te letten op eenvoudige kalibratiemogelijkheden. Hoogwaardige hygrometers die voor cruciale metingen worden gebruikt, moeten bovendien instelbaar zijn op basis van de kalibratiewaarden.

Verandering van de relatieve luchtvochtigheid afhankelijk van de luchttemperatuur
Bij normale luchtdruk leidt een hoeveelheid waterdamp van 10 g/m³ tot de volgende relatieve luchtvochtigheidswaarden:

De relatie tussen temperatuur en luchtvochtigheid wordt vaak weergegeven in nomogrammen. In een dergelijk diagram kan, als de luchttemperatuur en luchtvochtigheid bekend zijn, worden afgelezen hoe ver de lucht kan afkoelen voordat condens ontstaat. Metingen omvatten de temperatuur van de kamerlucht, de relatieve luchtvochtigheid en de temperatuur van koude oppervlakken. Sommige hygrometers kunnen, naast de luchtvochtigheid, zowel de luchttemperatuur als de oppervlaktetemperatuur meten via contactsondes of infraroodsensoren. Met deze meetwaarden kan uit het diagram worden afgelezen hoe de luchtvochtigheid stijgt bij afkoeling.

Situatie 1:
Kamertemperatuur 20 °C, luchtvochtigheid 40 %, laagste oppervlaktetemperatuur 14 °C.
Uitgaande van het snijpunt van de 40 % luchtvochtigheidslijn met de horizontale 20 °C-lijn wordt een verticale lijn getrokken tot de horizontale 14 °C-lijn. Dit snijpunt ligt tussen de curven voor 50 % en 60 % luchtvochtigheid. De verticale lijn kan verder omhoog worden doorgetrokken totdat deze de curve voor 100 % luchtvochtigheid raakt. Op dit punt kan op de temperatuurschaal het dauwpunt worden afgelezen, dat ongeveer 6 °C bedraagt.

Situatie 2:
Kamertemperatuur 20 °C, luchtvochtigheid 60 %, oppervlaktetemperatuur 11 °C.
De luchtvochtigheid stijgt aan het koudere oppervlak boven de 100 %, waardoor condens ontstaat. Het dauwpunt ligt bij ongeveer 12 °C.

Verandering van de relatieve luchtvochtigheid afhankelijk van de luchtdruk
Bij constante luchttemperatuur veranderen de relatieve luchtvochtigheid en het dauwpunt bij een toename van de luchtdruk. Hieronder enkele voorbeeldwaarden voor een luchttemperatuur van 25 °C: