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Feuchte und Thermisches Zustandsverhalten

Arbeitsgruppe 3.41

Hygrometer und deren Wirkprinzipien - Eine Übersicht

Zur Messung der Gasfeuchte werden Messgeräte mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien eingesetzt. Diese Geräte werden allgemein als Hygrometer bezeichnet, schreibende Geräte auch als Hygrographen. Die wichtigsten Funktionsprinzipien seien hier kurz erklärt.

  • Das Taupunktspiegel-Hygrometer misst den Tau- oder Frostpunkt eines feuchten Gases. Der Taupunkt ist diejenige Temperatur, bei der ein feuchtes Gas bei gegebenem Druck bezüglich Wasser gesättigt ist. Findet die Sättigung bezüglich Eis statt, spricht man vom Frostpunkt. Dazu wird in einem Taupunktspiegel-Hygrometer das feuchte Gas über einen kleinen Spiegel geleitet, der thermoelektrisch abgekühlt wird. Beginnende Kondensation (Tau- oder Frostbildung) auf der Spiegeloberfläche wird über ein optisches System durch die Veränderung der Reflektionseigenschaften des Spiegels erkannt. Über einen Regelkreis wird die Temperatur des Spiegels genau an dem Punkt gehalten, an dem die Kondensation des Wassers aus dem feuchten Gas gerade einsetzt. Diese so genannte Taupunkttemperatur ist ein Maß für den absoluten Feuchtegehalt des Gases. Liegt diese Temperatur unterhalb von 0 °C, kann sich prinzipiell die Tauschicht auf dem Spiegel in eine Reifschicht umwandeln. In diesem Fall spricht man von einer Frostpunkt-Temperatur.

  • Ein Polymer-Sensor nutzt die Veränderung der Eigenschaften eines speziellen Kunststoffes (Polymer) in Abhängigkeit von der Feuchte der Umgebung. Das Messsignal eines solchen Sensors ist immer ein Maß für die relative Feuchte, d.h. des Prozentsatzes der maximal möglichen Feuchte bei einer gegebenen Temperatur. Einfache Polymer-Sensoren nutzen die Veränderung des elektrischen Widerstandes einer Polymerschicht (resistive Polymer-Sensoren), höherwertige Geräte haben auf den Seiten eines kleinen Polymer-Plättchens Metallflächen angebracht und messen die Veränderung der Dielektrizitätskonstante des Polymers als Veränderung der Kapazität der Anordnung (kapazitive Polymer-Sensoren). Bei Kenntnis der Messtemperatur lässt sich die relative Feuchte in eine absolute Feuchte umrechnen.

  • In einem Spektrometer wird das feuchte Gas durch eine Messzelle geleitet, in welche auf der einen Seite Licht einer genau definierten Wellenlänge eingestrahlt wird und auf der anderen Seite die Abnahme der Intensität des Lichtes gemessen wird. Als Lichtquelle werden vornehmlich Laser oder Laserdioden verwendet. Die Wellenlänge des Lichtes ist so gewählt, dass anwesende Wassermoleküle durch die Lichtenergie zu Schwingungen angeregt werden und damit Lichtenergie absorbiert wird. Das Verhältnis der Intensität von eingestrahltem zu austretenden Licht ist also ein Maß für die Konzentration an Wassermolekülen in der Messzelle und damit ein Maß für die absolute Feuchte.

  • Das Psychrometer ist ein klassisches Feuchte-Messgerät, das sich den Effekt zu Nutzen macht, dass ein feuchter Gegenstand (Baumwolle etc.) beim Anblasen mit Luft durch Verdunstung abkühlt. Wenn die Befeuchtung des Gegenstandes immer gesichert ist, ist diese Abkühlung um so größer, je weniger Feuchte die zum Anblasen verwendete Luft enthält. Als psychrometrische Differenz bezeichnet man den Unterschied zwischen der mit einem trockenen Thermometer gemessenen Temperatur der Luft und der Temperatur des feuchten Gegenstandes. Diese wird im Allgemeinen gemessen, in dem man einen feuchten Baumwollstrumpf über ein Thermometer zieht. Im klassischen Assmann-Psychrometer befinden sich zwei Quecksilber-Glasthermometer, von denen das eine mit besagtem Baumwollstrumpf feucht gehalten wird. Der Luftdurchsatz wird mit einem Ventilator erzeugt. Heute werden die Thermometer oft als Platin-Widerstands-Thermometer (PRT) ausgeführt. Aus der psychrometrischen Differenz lässt sich die Feuchte der überströmenden Luft berechnen.

  • Nur noch untergeordnete Bedeutung haben Haar- oder Faserhygrometer, die man vor allem in Geräten für den häuslichen Bedarf als formschöne Zeigerinstrumente findet. Hier wird die Ausdehnung von Kunststoff-Fäden (früher wurden Pferde- oder Menschenhaare eingesetzt) mit zunehmender relativen Feuchte über ein Hebelwerk auf einen Zeiger übertragen.