Messtechnik und Kalibrierung Feuchte-Fibel. Testo Industrial Services Mehr Service, mehr Sicherheit

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1 Messtechnik und Kalibrierung Feuchte-Fibel Testo Industrial Services Mehr Service, mehr Sicherheit

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3 Vorwort Mit Feuchtigkeit bezeichnet man den Wassergehalt in der Luft bzw. eines anderen Stoffes. Wie bei der Temperatur hat der Mensch auch ein Gefühl für extrem feuchte oder trockene Luft. Allerdings ist es im Gegensatz zur Schätzung der Lufttemperatur viel schwieriger, dem Feuchtegehalt der Luft einen ungefähren Wert zuzuweisen. Unter anderem liegt das daran, dass die Luftfeuchte im alltäglichen Gebrauch weniger verbreitet ist. Aus diesem Grund möchten wir auf die Hintergründe etwas genauer eingehen und zum besseren Verständnis beitragen. Die Feuchtemessung ist gegenüber vielen anderen physikalischen Messgrößen (Temperatur, Druck, etc.) sehr komplex. Insbesondere die unterschiedlichen Einflüsse von Zustandsänderungen auf die Feuchtekenngrößen erschweren die Beurteilung der Messergebnisse und deren Aussagekraft. Die Erfassung und Bestimmung der Messgröße Feuchte (vorwiegend relative Feuchte ) ist von großer Bedeutung für viele Industrieprozesse. Durch direkte Kontrolle der relativen Feuchte werden Qualitätskriterien für die verschiedensten Produkte und Anlagen (Automobil-, Pharma-, Lebensmittel-, Stahl-, Kunststoffindustrie etc.) eingehalten. Industrial Services über das Wissen und die Ausrüstung, die aktuellen Qualitätsforderungen mit Ihnen erfolgreich umzusetzen. In dieser Fibel geben wir Ihnen einen Überblick über die Eigenschaften verschiedener Feuchtemessgeräte und -fühler wie elektronische Hygrometer, Datenlogger, verschiedene Feuchtesensoren sowie viele Tipps und Anleitungen zur Umsetzung bzw. Realisierung von Kalibrierung und Prüfmittelüberwachung. Des Weiteren wird auf die verschiedenen Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung eingegangen. Hierbei werden verschiedene Kalibriereinrichtungen (Klimakammern, Generatoren...) vorgestellt und deren Eigenschaften und Anwendungsbereiche genauer erläutert. Diese Fibel soll eine Hilfe zur Realisierung der Kalibrierung im Rahmen der Qualitätssicherung sein. Sie erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Die hier genannten Ratschläge können auch keine Allgemeingültigkeit besitzen. Sie sind vielmehr eine Sammlung von Erfahrungen und Eindrücken aus vielen Kundenbesuchen und Testo-Kalibrierseminaren. Für weitere Hinweise und Anregungen sind wir dankbar. Als führender Dienstleister auf dem Gebiet der Mess- und Kalibriertechnik verfügt Testo Ihr Testo Industrial Services Team 3

4 Inhaltsverzeichnis Inhalt 6 1 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Was ist eigentlich Feuchte? Einheiten und Kenngrößen der Feuchte Beispiele/Hintergründe aus dem Leben Ermittlung von Feuchtekenngrößen theoretische Rechenbeispiele 47 2 Messverfahren/Sensorik Übersicht Haarhygrometer Faserhygrometer Psychrometer Feuchtesensoren Taupunktspiegelhygrometer Infrarotabsorption 67 3 Testo-Feuchtemessgeräte im Überblick Messgeräte für verschiedene Anwendungen 4

5 70 4 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung Überblick Feuchtes-Tuch-/Feuchter-Lappen-Methode Fixpunktzellen/Salztöpfchen Zwei-Mengen-Generatoren Zwei-Temperatur-/Zwei-Druck-Generatoren Drucktaupunktanlage Wichtige Punkte, die zu beachten sind 87 5 Messunsicherheitsbestimmung nach GUM Ermittlung der Messunsicherheiten Beispiel Messunsicherheitsabschätzung (im Huminator II) 89 6 Quellen/Literatur 90 7 Testo Industrial Services 5

6 Grundlagen der Feuchtemesstechnik 1 Grundlagen der Feuchtemesstechnik 1.1 Was ist eigentlich Feuchte? Luft Wasser Luft Mit Feuchtigkeit bezeichnet man den Wassergehalt in der Luft bzw. eines Stoffes (z. B. Luftfeuchte, Materialfeuchten, Holzfeuchte). Die am meisten verbreitete Feuchte ist die Luftfeuchte. Wie jeder andere Stoff hat auch Luft nur eine begrenzte Aufnahmefähigkeit für Wasser. Diese Grenze nennt man Sättigung. Unterhalb der Sättigung ist feuchte Luft für das Auge nicht von trockener zu unterscheiden, oberhalb der Sättigung fällt der überschüssige Wasseranteil als Nebel in Form feiner Wassertröpfchen (Kondensat) aus. Ist die Aufnahmefähigkeit der Luft für Wasser erschöpft, kondensiert der überschüssige Wasserdampf. Die aufgenommene Wassermenge bei Sättigung ist temperaturabhängig und steigt stark progressiv mit ihr an. Bei 0 C beträgt die Sättigung 4,8 Gramm Wasser/Volumen feuchte Luft [Einheit: g/m 3 ], bei 20 C sind es bereits 17,3 Gramm Wasser/ Volumen feuchte Luft [Einheit: g/m 3 ]. Die absolute Feuchte [f abs ] wird demnach aus folgender Formel berechnet: Gewicht des in der Luft enthaltenen Wassers [Masse Wasser]/Rauminhalt der betrachteten Luftmenge [Volumen feuchte Luft]. f abs = Masse Wasser [g] Volumen feuchte Luft [m 3 ] Mit dem Begriff der relativen Luftfeuchte beschreibt man folgendes Verhältnis: Momentan tatsächlich enthaltene absolute Luftfeuchte [f abs ] zur maximal möglichen absoluten Feuchtigkeit [f max ] (in einem bestimmten Raum bei gleicher Temperatur). U = g tatsächliche absolute Feuchte [ ] m % g maximal mögliche Feuchte [ ] m 3 6

7 Nun gibt es einen sehr wichtigen Sachverhalt: 70 % relative Luftfeuchte sind nicht gleich 70 % relative Luftfeuchte?!? Wie erwähnt, ist die Sättigung für 0 C bei 4,8 g/m 3 erreicht. 70 % entsprechen also 4,8 g/m 3 0,7 = 3,36 g/m 3. Bei 20 C liegt die Sättigung bei 17,3 g/m 3, 70 % sind demnach 17,3 g/m 3 0,7 = 12,11 g/m 3. In beiden Fällen ist eine relative Luftfeuchte von 70 % vorhanden. Nur einmal sind rund 3,4 g Wasser/m 3, das andere Mal rund 12 g Wasser/m 3 Luft enthalten. 1.2 Einheiten und Kenngrößen der Feuchte Feuchtemaße Der Wassergehalt der Luft kann durch verschiedene sogenannte Feuchtemaße angegeben werden. Diese Feuchtemaße können wiederum über verschiedene Kenngrößen und Parameter angegeben werden: Feuchtekenngrößen Temperaturkenngrößen Druckkenngrößen Sonstige Kenngrößen Dampfkonzentration Dampfdruck Feuchtegrad Sättigungsdampfdruck Spezifische Enthalpie Absolute Feuchte Wassergehalt Taupunkttemperatur Frostpunkttemperatur Relative Feuchte Wasserdampfpartialdruck Feuchtkugeltemperatur Die Feuchtemessung ist nicht zuletzt aufgrund vieler unterschiedlicher Einheiten sehr komplex. Die Wahl der Einheit des dargestellten Feuchtemesswertes wird durch den zu untersuchenden Prozess und die betreffenden Randbedingungen definiert. In der Klimatechnik werden überwiegend die Einheiten relative Feuchte [%rf] und Taupunkt- 7

8 Grundlagen der Feuchtemesstechnik temperatur [ Ctd] verwendet, während bei verfahrenstechnischen Prozessen eher in Volumenanteilen gedacht wird Feuchtekenngrößen Die absolute Feuchte f abs [g/m 3 ] Die absolute Feuchte gibt an, welche Masse Wasser in einem Volumen feuchter Luft als Dampf enthalten ist. Bei gleichbleibendem Luftvolumen ist die absolute Luftfeuchte temperatur- und druckunabhängig. Verringert sich aber das Volumen aufgrund äußerer Druckeinwirkung oder einer Abkühlung bei gleichbleibendem Wassergehalt, so steigt die absolute Feuchte entsprechend. Um also Messwerte der absoluten Feuchte bei unterschiedlichen Luftdrücken oder Temperaturen miteinander zu vergleichen, muss dieser Sachverhalt berücksichtigt werden. Die absolute Feuchte wird in g/m 3 angegeben: f abs = Masse Wasser [g] Volumen feuchte Luft [m 3 ] Sättigungsfeuchte/maximale Feuchte f max [g/m 3 ] Sättigungsmenge von Wasserdampf in der Luft Die Sättigungsfeuchte ist ebenfalls eine absolute Feuchte (angegeben in g/m 3 ). Darunter versteht man die bei einer bestimmten Temperatur in einem Kubikmeter Luft maximal mögliche Wasserdampfmenge. Das Feuchteaufnahmevermögen der Luft steigt mit ansteigender Temperatur. Wird die maximale Feuchte überschritten, so schlägt sich der überschüssige Wasserdampf in Form von Kondensat (Tröpfchenbildung) nieder. 8

9 Relative Feuchte U [%rf] Unter der relativen Feuchte [%rf] versteht man das Verhältnis der tatsächlich enthaltenen zur maximal möglichen Masse des Wasserdampfes in der Luft. Die relative Feuchte wird üblicherweise in Prozent angegeben. Es gilt: Temperatur Sättigungsfeuchte 0 C 4,8 g/m 3 5 C 6,8 g/m 3 10 C 9,4 g/m 3 15 C 12,8 g/m 3 20 C 17,3 g/m 3 25 C 23,0 g/m C 597,7 g/m 3 U = g tatsächliche absolute Feuchte [ ] m % g maximal mögliche Feuchte [ ] m 3 Beispiele der Sättigungsfeuchte in Abhängigkeit der Temperatur Die relative Feuchte setzt den Feuchtegehalt in Bezug zur Sättigung und ist daher ein Maß für das Sättigungsdefizit der Luft. Da die relative Feuchte druck- und temperaturabhängig ist, kann sie auch über den Wasserdampfdruck berechnet werden: U = Wasserdampfdruck e w (t) [hpa] Sättigungsdampfdruck e s (t) [hpa] e w e s 100 % = 100 % Die relative Feuchte ist also auch definiert, als das in Prozent angegebene Partialdruck-Verhältnis zwischen dem herrschenden Wasserdampfdruck e w und dem Sättigungsdampfdruck e s. Im Sättigungsfall (U = 100 %rf) ist e w (t)/e s (t) = 1. D. h. der Wasserdampfdruck ist gleich dem Sättigungsdampfdruck. Somit zeigt die relative Feuchte an, wieviel Prozent der maximal möglichen Wasserdampfmenge momentan in der Luft vorhanden sind. Die relative Feuchte wird auch in der Meteorologie (z. B. bei Wettervorhersagen) angegeben. 9

10 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Spurenfeuchte Ein wasserfreies Luftgemisch bezeichnet man als trockene Luft. Tabellen zur Zusammensetzung der Luft beziehen sich in der Regel auf trockene Luft, da der Wasserdampfanteil feuchter Luft mit 0 bis 4 Volumenprozent vergleichsweise sehr stark schwankt. Beeinflusst wird die Luftfeuchtigkeit vor allem durch die Verfügbarkeit von Wasser, die Temperatur und den Grad der Durchmischung der Atmosphäre. Höhere Lufttemperaturen befähigen die Luft dabei, mehr Wasserdampf aufzunehmen. Bei sehr geringen Konzentrationen von Wasserdampf in der Luft bezeichnet man die Luftfeuchtigkeit auch als Spurenfeuchte Temperaturkenngrößen Taupunkttemperatur t d [ C, F, K] Die Taupunkttemperatur ist definiert als die Temperatur, bei welcher der aktuelle Wasserdampfgehalt in der Luft (100 % relative Luftfeuchtigkeit) maximal ist. D. h. der herrschende Wasserdampfdruck e w ist dann gleich dem Sättigungsdampfdruck e s. Die Taupunkttemperatur ist damit eine von der aktuellen Temperatur unabhängige Größe. Eine Möglichkeit die Taupunkttemperatur zu messen ist das Abkühlen von Metall bis sich die Oberfläche mit Wasserdampf beschlägt. Dann ist die Temperatur des Metalls die Taupunkttemperatur. Dieser Effekt wird auch bei verschiedenen Mess- und Kalibrierverfahren genutzt (siehe Feuchter-Strumpf-Methode ; Taupunktspiegelhygrometer ). Maximale Feuchte in Abhängigkeit von der Taupunkttemperatur Aus Umgebungstemperatur und relativer Luftfeuchte lässt sich die Taupunkttemperatur bestimmen bzw. aus Umgebungs- und 10

11 Taupunkttemperatur die relative Luftfeuchte. Zudem lässt sich daraus die absolute Feuchte der Luft berechnen. Relative Feuchte in Abhängigkeit von der Taupunkttemperatur bei einer Lufttemperatur von t = +20 C Man kennt das Phänomen des Taupunkts, wenn z. B. Brillenträger aus kalten in warme Räume wechseln, oder an kalten Weinflaschen, die vom kühlen Keller in die Wohnung gebracht werden. Die Taupunkttemperatur ist höher als die Temperatur der Flasche/der Brillengläser und das Wasser kondensiert bzw. die Brille beschlägt. Es stellt sich ein durch die Glastemperatur definiertes Sättigungsgleichgewicht ein. Erwärmt sich das Glas wieder auf Raumtemperatur, so verdunstet das kondensierte Wasser. 11

12 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Frostpunkttemperatur t f [ C, F, K] In manchen Fällen spricht man bei Taupunkttemperaturen unter 0 C von der Frostpunkttemperatur. Andere Bezeichnungen sind auch Taupunkttemperatur über Eis bzw. Gefrierpunkt Reifpunkttemperatur t r [ C, F, K] siehe Frostpunkttemperatur Taupunktdifferenz ΔT f [K] Die Taupunktdifferenz ist die Differenz zwischen Taupunkt und Temperatur. Im Sättigungsfall ist T d = 0. ΔT d = T T d = t t d Taupunktdetektion Der Taupunkt wird mit Hilfe von sogenannten Tauspiegelhygrometern detektiert. Diese Messgeräte arbeiten nach einem optischen System zur Erkennung des Taupunktes. Nähere Informationen siehe Kapitel Messverfahren/Sensorik, Thema Taupunktspiegelhygrometer (S. 64) Feuchtkugeltemperatur t F [ C, F, K] Als Feuchtkugeltemperatur t F bezeichnet man bei der psychrometrischen Messung die von dem mit einem Stoffüberzug versehenen Thermometer (Aspirationspsychrometer) ausgegebene 12

13 bzw. angezeigte Temperatur. Aufgrund der Verdunstungskälte liegt diese Temperatur in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte unterhalb der Lufttemperatur, die von dem trockenen Vergleichsthermometer (Trockenkugeltemperatur) angezeigt wird. Die Temperaturdifferenz ist dabei umso größer, je trockener die umgebende Luft ist. Trockenes Thermometer C Psychrometrische Differenz in K 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3, ,5 6 6, , Mit Hilfe einer Psychrometertafel kann man die Luftfeuchtigkeit bestimmen. (Angabe der relativen Feuchte in %) Beispiel: das Trockenkugelthermometer misst 22 C, gleichzeitig misst das Feuchtkugelthermometer 19 C. Daraus folgt, dass die psychrometrische Differenz 3 K beträgt und somit die relative Luftfeuchtigkeit bei 75 %rf liegt. Anwendung: In Klimakammern/-schränken sowie herkömmlicher Messtechnik 13

14 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Drucktaupunkt [ Ctpd] Drucktaupunkt [ Ctpd] ist die Temperatur, auf die verdichtete Luft abgekühlt werden kann, ohne dass Kondensat ausfällt. Der Drucktaupunkt ist abhängig vom Prozessdruck. Bei sinkendem Druck sinkt auch der Drucktaupunkt. Bei Systemen unter Druckbelastung ist immer der Drucktaupunkt, nicht aber der atmosphärische Taupunkt relevant Unterschied Drucktaupunkt atmosphärischer Taupunkt Drucktaupunkt oder atmosphärischer Taupunkt? Atmosphärische Luft ist in der Lage, mehr Wasserdampf zu speichern als komprimierte Luft. Wird die komprimierte Luft abgekühlt, so erreicht sie schon bei höheren Temperaturen ihren Taupunkt (Drucktaupunkt), während die atmosphärische Luft tiefer abgekühlt werden kann, bis erstmals Kondensat ausfällt (atmosphärischer Taupunkt). Für die Überwachung von Druckluftanlagen auf Restfeuchte spielt nur der Drucktaupunkt eine Rolle, da dieser anzeigt, wie weit die Gefahrenschwelle (= Taupunkt) entfernt ist. 14

15 1.2.4 Druckkenngrößen Dalton sches Gesetz Betrachtet man feuchte Luft als eine Mischung von trockener Luft mit Wasserdampf, dann besagt das Gesetz von Dalton, dass der gesamte Luftdruck die Summe der Partialdrücke der trockenen Luft und des Wasserdampfes ist. Es gilt also: p ges = p tr + p e Wobei p tr der Partialdruck der trockenen Luft und p e der Wasserdampfdruck [hpa], also der Partialdruck des Wasserdampfes, ist. Dieser beschreibt also den tatsächlichen (im Moment vorherrschenden) Wasserdampfdruck in feuchter Luft. John Dalton * 6. September 1766 in Eaglesfield, Cumberland 27. Juli 1844 in Manchester war ein englischer Naturforscher und Lehrer. 15

16 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Dampfdruck e w [hpa] Wärme lässt sich physikalisch durch die Bewegung von Molekülen veranschaulichen. Je höher die Temperatur, desto stärker die Bewegungen der Teilchen. Treffen diese Teilchen an die Behälterwand, wird diese Bewegung auch als Druck fühlbar. Jedes einzelne Teilchen leistet also seinen Beitrag zum Gesamtdruck. Teilt man nun den Gesamtdruck auf die durch die Wasser- und Luftteilchen erzeugten Drücke auf, erhält man die jeweiligen Teil- oder Partialdrücke. Der Anteil des Wasserdampfdrucks am Gesamtdruck ist somit ein Maß für die Anzahl vorhandener Wasserteilchen und für die Luftfeuchte. Betrachtet man die feuchte Luft als eine Mischung aus trockener Luft und Wasserdampf, so nimmt der Wasserdampf mit dem Molekulargewicht m w = 18,016 kg/kmol in einem Luftpaket feuchter Luft mit der Temperatur T einen bestimmten Partialdruck e w, den Dampfdruck oder Wasserdampfpartialdruck, an. Der Dampfdruck ist sozusagen ein Maß für die Menge an Wasserdampf im Luftpaket. Der Dampfdruck liegt zwischen 0 hpa (trockene bzw. wasserdampffreie Luft) und 30 hpa. Die Obergrenze ist durch den Sättigungsdampfdruck bestimmt. Luft ist ein Gemisch aus verschiedenen Gasen. Trockene Luft setzt sich wie folgt zusammen: Volumenanteile in % Stickstoff N2 78,03% Argon Ar 0,93% Weitere 0,05% Kohlendioxid Kohlendioxid CO2 CO2 0,03% restliche Bestandteile Neon, Helium, Krypton 0,02 % Sauerstoff O2 20,99% 16

17 Gewichtsanteile in % Stickstoff N2 75,47 % Argon Ar 1,28 % Weitere 0,05 % restliche Be Bestandteile Ne Neon, Helium, Krypton 0,01 % Sauerstoff O2 23,20% % Kohlendioxid CO2 0,04% Sättigungsdampfdruck e s [hpa] Der Sättigungsdampfdruck ist der Wasserdampfdruck bei Sättigung. Dieser ist nur durch die Lufttemperatur bestimmt und luftdruckunabhängig. Die Partialdrücke hängen aber direkt vom Gesamtdruck ab. Unter dem Sättigungsdampfdruck e s (t) versteht man den maximal möglichen Druck des Wasserdampfes bei einer bestimmten Temperatur. Man spricht in diesem Fall von einer Sättigung des Gases. Im folgenden Diagramm ist der Sättigungsdampfdruck des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Der Wasserdampfpartialdruck e w (t) variiert zwischen 0 hpa (trockene Luft) und 30 hpa. Im Sättigungsfall ist der Taupunkt gleich der Temperatur. Der Reifpunkt bezieht sich auf Sättigung über Eis. 1 1 Zum Beispiel herrscht ein Sättigungsdampfdruck von Pa (entspicht 199 hpa) bei 60 C vor. Berechnungsbeispiele nach Magnus (siehe Punkt 1.4.5: Berechnung Sättigungsdampfdruck) Sättigungsdampfdruck e s (t) in Abhängigkeit von der Temperatur 17

18 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Der Sättigungsdampfdruck ist nur von der Temperatur abhängig. Er ist ein Ausdruck für das Gleichgewicht zwischen flüssigem und dampfförmigem Aggregatzustand. Stoff ohne Anomalie Das Phasendiagramm Das Phasendiagramm veranschaulicht in der (p,t)-ebene, unter welchen Bedingungen der Wassergehalt Phasenumwandlungen unterworfen ist, bzw. welchen Aggregatzustand das Wasser annimmt. p [hpa] Stoff mit Anomalie (z. B. Wasser) 1013,25 Normaldruck flüssig fest Phasendiagramm eines gewöhnlichen Stoffes und Phasendiagramm von Wasser 6,107 0 Tripelpunkt gasförmig 0, t [ C] Sättigungsdampfdruckkurve über flüssigem Wasser Sättigungsdampfdruckkurve über Eis Sättigungsdampfdruckkurve über unterkühltem Wasser Schmelzdruckkurve Koordinaten des Tripelpunktes von Wasser: pt = 610,78 Pa = 6,1078 hpa Tt = 273,16 K = 0,01 C Auf den jeweiligen Dampfdruckkurven existiert ein Sättigungsgleichgewicht zwischen den jeweiligen Phasen. 18

19 1.2.5 Sonstige Größen Spezifische Enthalpie [kj/kg] Unter spezifischer Enthalpie versteht man die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Gases (oder Gasgemisches) bei konstantem Druck von einer Temperatur auf eine andere zu erhöhen Spezifische Feuchte [g/kg] Die spezifische Feuchte q ist das Verhältnis der Masse des Wasserdampfes M w zur Gesamtmasse M der feuchten Luft des betrachteten Volumens, bzw. das Verhältnis der Dichten (ρ w zu ρ): M w ρ r q = = w = M ρ r + 1 Die Größe wird meist in [g/kg] (g/kg = 0,001) ausgedrückt. r ist das Mischungsverhältnis. Die spezifische Feuchte ändert sich nicht bei Druck- und Temperaturveränderungen der feuchten Luft Feuchtegrad X oder Mischungsverhältnis [g/kg] Der Feuchtegrad X bzw. das Mischungsverhältnis ist das Verhältnis der Masse des Wasserdampfes zur Masse der trockenen (wasserdampfreien) Luft des gleichen Volumens: M w r = = M l ρ w ρ l 19

20 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Auch das Mischungsverhältnis ändert sich, wie die spezifische Feuchte, bei Temperatur- und Druckänderungen der feuchten Luft nicht und es gilt: q r = l - q m w e = p - e m l mit dem Molekulargewicht des Wasserdampfes m w = 18,016 kg/kmol und dem Molekulargewicht der trockenen Luft m l = 28,96 kg/kmol, deren Verhältnis m w zu m l = 0,622 ist. Da der Dampfdruck in der Atmosphäre nur wenige Prozent des Gesamtdruckes ausmacht, kann man in der vorherigen Gleichung den Dampfdruck im Nenner gegenüber dem Gesamtdruck vernachlässigen und näherungsweise schreiben: r 0,662 e p Zustandsänderungen Sättigung Zur Veranschaulichung der Sättigung betrachte man einen abgeschlossenen Behälter mit Wasser und Luft. In diesem Behälter findet ein ständiger Austausch von Wassermolekülen zwischen dem Wasser und der Luft statt (siehe Abbildungen). Die Moleküle aus der Wasseroberfläche werden durch die Wärmebewegung der Moleküle herausgelöst und gehen in den Wasserdampf in der Luft über, gleichzeitig gehen aber auch Wassermoleküle vom Wasserdampf in das Wasser über. Sind die Ströme der Moleküle aus dem Wasserdampf in das Wasser und der Moleküle aus dem Wasser in den Dampf gleich 20

21 groß, so ist der Wasserdampf gesättigt. In diesem Zustand ist das System im Gleichgewicht und der Wasserdampf hat als Partialdruck den Sättigungsdampfdruck e s. Der Sättigungsdampfdruck ist also ein Ausdruck für einen Gleichgewichtszustand zwischen dem Wasser und dem Wasserdampf. Ist der Strom von der Wasseroberfläche größer als der Strom zur Wasseroberfläche, so ist der Wasserdampf ungesättigt und es findet Verdunstung statt. Umgekehrt ist der Wasserdampf übersättigt, wenn mehr Wassermoleküle vom Dampf in das Wasser gehen als vom Wasser in den Dampf. Das heißt, der Dampfdruck ist größer als der Sättigungsdampfdruck und der Wasserdampf kondensiert. Strom der Wassermoleküle bei ungesättigtem, gesättigtem und übersättigtem Wasserdampf: Wasserdampf Wasser e w < e s e w = e s e w > e s ungesättigt gesättigt übersättigt Kondensation Als Kondensieren bezeichnet man das Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Den Vorgang selbst bezeichnet man als Kondensation bzw. physikalische Kondensation, das Produkt als Kondensat. Dieser Prozess erfolgt unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen, die man als Kondensationspunkt bezeichnet. Bei der Kondensation muss der Dampfdruck über dem Sättigungsdampfdruck liegen. 21

22 Grundlagen der Feuchtemesstechnik In der Atmosphäre findet Kondensation nur unter Einbeziehung von Kondensationskernen statt, da zur homogenen Kondensation, der direkten Tropfenbildung aus der Gasphase, Übersättigungen nötig sind, die in der Atmosphäre nicht vorkommen. Die latente Verdampfungswärme, d. h. der Energiebetrag, der zur Verdampfung eines kg Wassers aufgebracht werden muss, beträgt: L = 2, J/kg. Diese Energie wird bei der Kondensation von Wasser frei Verdunstung An einer freien Wasseroberfläche, die flüssiges Wasser vom darüber liegenden Luftvolumen trennt, treten stets einzelne Wassermoleküle vom Wasservolumen in das Luftvolumen über. Im flüssigen Wasser sind die Wassermoleküle durch molekulare Kräfte vergleichsweise stark aneinander gebunden, wodurch sich der zusammenhängende Flüssigkeitsverbund erst ausbilden kann. Infolge ihrer thermischen Bewegung tragen die Wassermoleküle jedoch jeweils gewisse Beträge an kinetischer Energie, die um einen temperaturabhängigen Mittelwert herum streuen. Ein kleiner Prozentsatz von Wassermolekülen hat daher stets genügend thermische Energie, um die Bindungskräfte der umgebenden Moleküle zu überwinden, die Wasseroberfläche zu verlassen und in das Luftvolumen überzugehen, also zu verdunsten. Die Verdunstungsrate hängt vom Prozentsatz derjenigen Moleküle ab, deren kinetische Energie die Bindungsenergie des Flüssigkeitsverbundes überschreitet und wird daher unter anderem von der herrschenden Temperatur bestimmt. 22

23 1.2.7 Abhängigkeiten Druck- & Temperaturabhängigkeit der Feuchtegrößen Feuchtegröße druckabhängig temperaturabhängig Wassergehalt/ Volumenanteil Atmosphärischer Taupunkt Feuchtegrad nein nein Sättigungsdampfdruck nein ja Drucktaupunkt ja nein Wasserdampfpartialdruck Relative Feuchte Absolute Feuchte ja ja Druckabhängigkeit von Feuchtekenngrößen Nachfolgend soll untersucht werden, wie sich eine Druckänderung auf einzelne Feuchtekenngrößen auswirkt. Hierzu betrachten wir das Beispiel, wenn vollkommen abgeschlossene Luft komprimiert wird. Die Druckänderung soll bei konstanter Temperatur erfolgen, d. h. die Kompression führt nicht zu einer Temperaturänderung. Dies ist nur eine Näherung an reale Situationen, da normalerweise bei Kompression auch eine Erwärmung der Luft stattfindet. 23

24 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Wir betrachten eine Volumenhalbierung also eine Druckverdopplung ausgehend von 1000 hpa und 30 %rf bei 25 C. Entspannt: p 1 = 1 bar U 1 = 30 %rf t = 25 C Komprimiert: p 2 = 2 bar t = 25 C U 2 =? f abs =? t d =? Druckabhängigkeit der relativen Feuchte U: Es gilt: e w1 e w2 = p 1 p 2 [1] Daraus folgt: U 1 U 2 = p 1 p 2 [2] Entspannt: p 1 = 1000 hpa U 1 = 30 %rf t = 25 C Komprimiert: p 2 = 2000 hpa t = 25 C U 2 = U 1 p 1 p 2 [3] 2000 hpa = 30 %rf 1000 hpa = 60 %rf 24

25 Der Wasserdampfteildruck ist proportional zum vorliegenden Umgebungsdruck. Das bedeutet, dass das Verhältnis aus Dampfdruck und Umgebungsdruck für alle Zustände gleich groß ist (s. Gleichung [1]). Gleichzeitig ist die Luftfeuchtigkeit U dem Dampfdruck proportional, so dass sich daraus Gleichung [2] ableiten lässt. Die Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit bei Druckänderung errechnet sich also direkt aus dem Druckverhältnis [3]. Eine Volumenhalbierung, also eine Druckverdopplung erhöht die relative Feuchte um den Faktor 2. Druckabhängigkeit der absoluten Feuchte f abs : Es gilt: f 1 = m und f 2 = m [1a, 1b] V 1 V 2 Daraus folgt: f 1 f 2 V 1 p = = 1 V 2 p 2 [2] Entspannt: p 1 = 1000 hpa U 1 = 30 %rf t = 25 C f s = 23,04 g/m 3 * Komprimiert: p 2 = 2000 hpa t = 25 C f 2 = f 1 p 1 p 2 [3] f 1 = U % f s = 6,9 g 2000 hpa 1000 hpa mit f abs = 23,04 g m 3 = 13,8 m 3 g m 3 f 1 = 6,9 g m 3 * Sättigungsfeuchte 25

26 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Die Absolutfeuchte errechnet sich aus dem Verhältnis der Masse Wasser zu dem Volumen der feuchten Luft [1]. Dabei ist die Masse des enthaltenen Wassers druckunabhängig immer die gleiche. Das Luftvolumen verhält sich aber umgekehrt proportional zum Druck [2]. Die Änderung der Absolutfeuchtigkeit bei Druckänderung errechnet sich also (wie bei %rf) direkt aus dem Druckverhältnis [3]. Druckabhängigkeit der Taupunkttemperatur t d : Entspannt: p 1 = 1000 hpa U 1 = 30 %rf t d = 6,24 Ctd t = 25 C Komprimiert: p 2 = 2000 hpa t = 25 C 2000 hpa U 2 = 30 %rf 1000 hpa = 60 %rf entspricht: 16,7 Ctpd Bei Atmosphärendruck: Atmosphärischer Taupunkt Bei höheren Drücken: Drucktaupunkt Die Änderung der Taupunkttemperatur lässt sich am besten indirekt berechnen. Ausgehend vom Ausgangszustand betrachtet man die Änderung der relativen Feuchte oder der Absolutfeuchte und rechnet die Taupunkttemperatur für Zustand 2 mittels Magnus-Funktion wieder zurück (s. Berechnungsbeispiel Pkt ). 26

27 1.3 Beispiele/Hintergründe aus dem Leben Allgemeines Die Regelung der Luftfeuchte ist überall dort interessant, wo sich Menschen oder feuchteempfindliche Stoffe über längere Zeit in einem Raum befinden. In diesen Räumen findet ein Feuchteaustausch zwischen der Umgebungsluft und der sich darin befindenden Menschen oder Stoffe statt. Hygroskopische Stoffe geben Feuchte an die Umgebung ab oder nehmen selbst Feuchte auf. Sie streben dabei nach einem Gleichgewicht ihres Feuchtehaushaltes mit der Umgebung, d. h. bei Luft mit einem geringen Gehalt an relativer Feuchte, trocknen hygroskopische Stoffe langsam aus; bei hohen relativen Luftfeuchten reichern sich Materialien mit Wasser an. Als Beispiel hierfür: bei geringer Luftfeuchte kommt es zu Materialversprödung und Rissbildung (vor allem in der Heizperiode während des Winters). Bei hoher relativer Luftfeuchte und partiell kühlen Oberflächen beginnen Materialien zu quellen. Es kommt zu Tauwasserbildung oder gar zum Wachstum von Schimmelpilzen. Die treibende Kraft dabei ist der Grad der relativen Luftfeuchte. Für Menschen und hygroskopische Materialien läßt sich dabei ein Bereich optimaler relativer Feuchte definieren. Bei Menschen spricht man in diesem Zusammenhang vom Behaglichkeitsbereich. Dieser liegt bei einer Raumtemperatur von t = +23 C bei einer relativen Feuchte von ca %rf. Der Behaglichkeitsbereich läßt sich in Gebäuden auch auf anderes übertragen, so z. B. Holz, Stoffe, Papier, Tapeten und natürlich die optimale Lagerung von Zigarren. 27

28 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Solange der Zustand der Luft diesen Bereich nicht verlässt, kann man davon ausgehen, dass kein übermäßiger Feuchtetransport stattfindet und sich die Eigenschaften von Stoffen oder Materialien nicht wesentlich verändern Alltag Im Alltag lassen sich zahlreiche Phänomene auf die Luftfeuchte zurückführen. Beobachtet man nasse Gegenstände oder offene Wasserflächen über einen längeren Zeitraum, ohne dass diesen von außen weiteres Wasser zugeführt wird, so nimmt deren Nässe ab bzw. die Wasserfläche trocknet aus. Wäsche wird mit der Zeit trocken, Pfützen verschwinden, Lebensmittel werden hart und ungenießbar. Es kommt zur Verdunstung. Diese ist jedoch nur so lange möglich, wie die Luft ungesättigt ist, die relative Luftfeuchte also unter 100 % liegt. Mit steigender Luftfeuchtigkeit nimmt auch die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität der Luft zu, so dass bei konstanter Temperatur der Heizungsoberfläche der Raum schneller erwärmt wird. Betritt man aus der kühleren Umgebung kommend einen geheizten Raum, so stellt man oft fest, dass Brillengläser anfangen zu beschlagen. Gleiches gilt auch für Fensterscheiben. Sind die Scheiben, z. B. eines Pkws, wesentlich kälter als der Innenraum des Fahrzeuges, so beschlagen diese sehr schnell und können damit das Sichtfeld des Fahrers stark einschränken. Den gleichen Effekt gibt es in einem von heißen Dampfschwaden erfüllten Bad, denn hier beschlagen die Spiegel binnen kürzester Zeit. Grund für all diese Effekte sind die kalten Oberflächen, welche die Luft in ihrer unmittelbaren Umgebung abkühlen. Je höher die relative Luftfeuchte der Umgebungsluft 28

29 ist, desto schneller erreicht die Luft beim Abkühlen den Taupunkt und Wasser kondensiert. Je höher der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Umgebungsluft ist, desto stärker kühlt die oberflächennahe Umgebungsluft ab. Aus diesem Grund zeigen sich die beschriebenen Fälle vor allem im Winter und in sehr nassen Räumen. Der Autofahrer behilft sich, indem er ständig warme Luft auf die Scheibe blasen lässt und sie somit aufheizt, damit diese mehr feuchte Luft aufnehmen kann. Sind die Temperaturunterschiede bei einer Außentemperatur von unter 0 C aber besonders stark ausgeprägt und der Luftaustausch nicht sonderlich groß, so kann es auch zur Ausbildung von Eisblumen* 1 kommen. Diese Effekte sind auch für das Vereisen von Gefrierfächern in einem Kühlschrank bei gleichzeitiger Austrocknung unverpackter Kühlware verantwortlich. Deren Wasser verdunstet zunächst, jedoch vergleichsweise langsam, bei Temperaturen zwischen 4 und 8 C. Am kühleren Gefrierfach mit Temperaturen unter 0 C resublimiert* 2 es aufgrund der Abkühlung hingegen zu Eis. Technische Verwendung findet dieser Effekt bei der Gefriertrocknung* 3. Ein weiterer Effekt in diesem Zusammenhang ist die sogenannte Vergaservereisung, wie sie bei Automobilvergasern und vor allem bei Vergasern von Sportflugzeugen auftritt. Durch die Bernoulliverengung im Inneren eines Vergasers wird die Luft über eine kurze Strecke beschleunigt und dabei der Luftdruck und in der Folge die Temperatur abgesenkt. Bei hoher Luftfeuchtigkeit kommt es dann zu einer Ausfällung von Wasser, das sich bei niedrigen Temperaturen als Eis im Vergaser niederschlägt. 29

30 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Die Veränderung der maximalen Luftfeuchte kann man auch bei Flugzeugen oder schnellen Rennautos beobachten, die nicht selten an scharfen Kanten der Tragflächen oder z. B. eines Spoilers sogenannte Randwirbel bilden. Auch in ihnen sinkt der Luftdruck, die Luftfeuchtigkeit wird zum Teil ausgefällt und zeigt sich als Nebel. Die Ausatemluft ist beim Menschen, aber auch vielen Tieren wesentlich feuchter und wärmer als die Einatemluft. Dies erkennt man daran, dass diese im Winter bzw. bei niedrigen Temperaturen scheinbar sichtbar wird. Die warmfeuchte Ausatemluft wird dabei unter den Taupunkt abgekühlt und es kommt zur Entstehung von Dampfschwaden* 4. Gleiches gilt auch für die Abgase von Fahrzeugen und Kraftwerken, deren winterliche Dampfschwaden oft mit einer zusätzlichen Abgasemission verwechselt werden. Erläuterungen: Eisblumen Stoff ohne Anomalie Phasendiagramm eines gewöhnlichen Stoffes * 1 Eisblumen: Eine Eisblume ist ein Eiskristall, dem wegen seiner Form Ähnlichkeit mit einer Blume zugesprochen wird. Es handelt sich um eine Sonderform von Raureif. * 2 Resublimieren: Als Resublimieren bezeichnet man in der Thermodynamik das unmittelbare Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in den festen Aggregatzustand. Den Vorgang selbst bezeichnet man als Resublimation, Desublimation, Solidifikation oder auch Deposition. Bei den Druck- und Temperaturbedingungen, bei denen eine Resublimation auftritt, existiert kein flüssiger Aggregatzustand, wie im Phasendiagramm ersichtlich. Man bezeichnet diese Bedingungen auch unabhängig von der Richtung der Phasenumwandlung als Sublimationsdruck und Sublimationstemperatur bzw. als Sublimationspunkt. 30

31 Jeder Stoff setzt bei seiner Resublimation die so genannte Sublimationswärme frei, die gleich der Summe aus Schmelz- und Verdampfungswärme ist. Stoff mit Anomalie (z. B. Wasser) * 3 Gefriertrocknung: Die Gefriertrocknung oder Lyophilisation oder Sublimationstrocknung ist die Trocknung von Objekten in gefrorenem Zustand, beispielsweise von Obst oder auch Bakterien. Die Gefriertrocknung wird auch Kälte- oder Vakuumtrocknung genannt. Wasserhaltige Objekte, wie z. B. feuchtes Papier, Bio- und sonstige poröse Materialien werden tiefgefroren und kommen anschließend in eine Vakuumkammer. Dort werden sie einem Unterdruck von weniger als 6 mbar ausgesetzt. Unter dem Einfluß dieses Unterdrucks nimmt das eingefrorene Wasser während des gesamten Trocknungsvorganges nicht mehr den Aggregatzustand flüssig ein, sondern geht direkt von Eis in Dampf über. Phasendiagramm von Wasser * 4 Dampfschwaden: Dampfschwaden sind ein Gemisch aus Luft, Wasserdampf und feinsten Tropfen aus Wasser. Sie entstehen in Abhängigkeit von der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit der umgebenden Luft über Kühltürmen und Kühlteichen durch Kondensation, wobei diese Schwaden umgangssprachlich oft mit Wasserdampf gleichgesetzt werden. Veranschaulichung verschiedener Trocknungsverfahren 31

32 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Ötzi ein gewichtiger Mann: Mumien-Konservierung Ötzi Um Ötzi am Leben zu erhalten ist es äußerst wichtig, dass er unter den exakt gleichen Bedingungen gelagert wird, wie sie an seiner Fundstelle vorzufinden waren. Wichtigste Kenngrößen hierbei sind die Temperatur und die relative Feuchte. Die Temperatur liegt im Mittel bei ca. +6 C und die relative Feuchte bei 98 %rf. Um dies zu gewährleisten, wurden zwei spezielle Klimakammern (eine als Ersatz) gebaut. Von Zeit zu Zeit wird Ötzi herausgenommen und mit Wasser besprüht, damit er kein Gewicht, d. h. Wasser verliert. Gewichtsverlust ist ein Zeichen der Austrocknung und ohne Gegensteuern dieses Effekts, würde sich die Mumie mit der Zeit in Staub verwandeln Zigarren richtig lagern Ein Humidor (humidus: lat. feucht ), ist ein aus Hölzern oder anderen Materialien gefertigter Behälter, in dem Zigarren unter für sie günstigen klimatischen Bedingungen gelagert werden können, die bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 68 % bis 75 % und einer Temperatur von 18 C bis 22 C gegeben sind. Die Luftfeuchtigkeit ist dabei von primärer Bedeutung. Humidor Ein guter Humidor zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass er eine konstante (tropische) Luftfeuchtigkeit in seinem Inneren halten kann. So behält der Tabak von Zigarren sein volles Aroma und kann auch über Jahre gelagert werden. Die nicht unbedingt luftdicht schließenden Kisten sind zumeist mit dem Holz der spanischen Zeder (Cedrela odorata) ausgeschlagen, was einerseits die Reifung und die Aromaentwicklung einer Zigarre unterstützt und andererseits Schädlinge wie 32

33 Milben und Tabakkäfer abhält. Schließt ein Humidor sehr gut oder gar luftdicht, muss er in regelmäßigen Abständen gelüftet werden, um Schimmelbildung vorzubeugen Außenwände von Gebäuden In der Bauphysik spielt der in einem gesonderten Artikel behandelte Taupunkt in Form der Taupunktebene eine wichtige Rolle. Unter dieser versteht man die Temperaturfläche innerhalb des Mauerwerks bzw. der Außenwand eines Gebäudes, ab welcher es bei einer weiteren Abkühlung zur Bildung eines Kondensats kommen kann. Hintergrund ist, dass warme Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als kalte Luft. Bewegt sich warme und mit Feuchtigkeit angereicherte Luft durch Diffusion oder Konvektion innerhalb der Außenwand vom wärmeren zum kälteren Raum, so kommt es zur Kondensation und damit zur Feuchtebildung, sobald der Taupunkt unterschritten wird. Hieraus kann wiederum eine gesundheitsgefährdende Schimmelbildung resultieren. Die Bestrebung geht folglich dahin, den Ort des Taupunktes durch den gezielten Einsatz von Baumaterialien bzw. auch Baumethoden möglichst weit nach außen zu verlagern bzw. überhaupt einen Taupunkt zu vermeiden. Ein Beispiel hierfür ist die Wärmedämmung, welche in der Regel an der Außenseite der Wand angebracht wird. Sie kann damit, im Gegensatz zu einer innenliegenden Dämmung, die Schimmelbildung in den Innenräumen einschränken. 33

34 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Ein angenehmes Klima In einem angenehmen Raumklima sind wir leistungsfähiger. Warum sind Heizen, Kühlen, Entfeuchten und Lüften wichtig? In einem angenehmen Raumklima hält man sich nicht nur gerne auf, man ist auch leistungsfähiger. Reine und frische Luft ist dabei äußerst wichtig. Deshalb muss jedes Gebäude mit einem Lüftungssystem ausgestattet sein. In einer angenehmen Umgebung sind Menschen also zu mehr in der Lage. Hierbei spielen folgende Faktoren eine entscheidende Rolle: Temperatur; Turbulenz (Luftgeschwindigkeit); relative Feuchte; CO 2 -Gehalt; Schadstoffkonzentration. Ein wichtiger Bestandteil feuchter Luft ist Wasserdampf. In der Umgebungsluft ist Wasserdampf aber nur in geringer Menge vorhanden. Der Gewichtsanteil des Wasserdampfes liegt bei etwa 0,1 % bis 2 %. Trotz dieser geringen Wassermenge, die in der Luft vorhanden ist, sind das Wohlbefinden der Menschen und die Qualität vieler technischer Prozesse in hohem Maße vom Feuchtegehalt abhängig Behaglichkeitsfeld Mollier-Diagramme sind kompakte Darstellungen der Luftzustände und gelten jeweils bei einer Druckstufe, i. d. R. bei atmosphärischem Druck (Nutzung im Bereich der Klimatechnik). Das unter Pkt dargestellte Mollier-Diagramm gestattet, verschiedenste Feuchtegrößen (relative Feuchte [%rf] und Feuchtegrad [g/kg]) sowie die Temperatur [ C] zueinander ins Verhältnis zu setzen. Das Behaglichkeitsfeld (in diesem Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbereich fühlen sich Menschen wohl) befindet sich zwischen 20 bis 26 C und zwischen 30 bis 65 %rf. 34

35 Mollier-Diagramm für Klimaanwendungen relative Luftfeuchtigkeit [%rf] 70 1% 5% 10% 15% 20% 66 30% 60 40% 54 50% 60% 48 70% 80% 42 90% 100% Temperatur [ C] Behaglichkeitsfeld C g/kg Feuchtegrad [g/kg] Richard Mollier * 30. November 1863 in Triest 13. März 1935 in Dresden war Professor für angewandte Physik und Maschinenbau in Göttingen und Dresden und ein Pionier der Erforschung physikalischer Daten für die Wärmelehre, insbesondere für Wasser, Dampf und feuchte Luft. Vor- Erhitzer adiabatischer Befeuchter Nach- Erhitzer Nach- Erhitzer Kühler Winterbetrieb: Damit die zu kalte und zu trockene Winterluft an das Behaglichkeitsfeld adaptiert wird, muss während des Winterbetriebes zuerst die Luft erhitzt werden, dann wird die relative Luftfeuchtigkeit beispielsweise mit Hilfe eines adiabatischen* 1 Befeuchters erhöht und gleichzeitig abgekühlt. Letztendlich wird die Luft noch einmal mit einem Nacherhitzer erwärmt und befindet sich somit im Behaglichkeitsfeld (s. Mollier-Diagramm, schwarze Pfeile). 35

36 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Sommerbetrieb: Damit die zu warme und zu feuchte Sommerluft an das Behaglichkeitsfeld adaptiert wird, muss während des Sommerbetriebes zuerst die Luft gekühlt werden. Dabei sinkt zudem die Luftfeuchtigkeit, da Wasser auskondensiert. Dann wird mit Hilfe eines Nacherhitzers die Luft wieder erwärmt und befindet sich somit im Behaglichkeitsfeld (s. Mollier-Diagramm, graue Pfeile). * 1 adiabatisch: Die adiabate Zustandsänderung ist ein Begriff aus der Thermodynamik. Adiabat nennt man eine Zustandsänderung eines thermodynamischen Systems, bei der mit der Umgebung keine Wärme ausgetauscht wird. Dies kann erreicht werden, wenn der Behälter, in dem die Verdichtung oder Ausdehnung stattfindet, sehr gut isoliert ist oder die Zustandsänderung sehr schnell verläuft. Es handelt sich dabei in der Realität praktisch immer um zumindest partiell diabatische Prozesse, der Wärmeaustausch kann jedoch in vielen Fällen und insbesondere bei den meisten Gasen vernachlässigt werden. Vorteil einer solchen Vereinfachung ist die gute mathematische Beschreibbarkeit adiabatischer Prozesse. 36

37 1.3.9 Messen der relativen Feuchte in Räumen Hier gelten im wesentlichen dieselben Regeln wie für die Temperaturmessung. Die relative Feuchte hängt bei konstanter absoluter Feuchte von der Temperatur ab. Dabei besteht die Gefahr von Schichtungen und starken Feuchteänderungen in der Nähe von Oberflächen, deren Temperatur stark von der Lufttemperatur abweicht. Der Mindestabstand zur Wand ist dann erreicht, wenn sich trotz Abstandsänderung die Anzeigewerte von Feuchte und Temperatur nicht mehr ändern. 70 % rf T Raum = 25 C 50 % rf T OF = 15 C Mindestabstand Wand/Messstelle Wand/Meßstelle für repräsentative Raumklimamessungen Im Raum werden zwei prinzipielle Arten von Messungen durchgeführt: Aktuelle Kontroll- oder Stichprobenmessung Eine schnelle Kontrollmessung ist in erster Linie dann interessant, wenn man einen starken oder plötzlichen Luftaustausch vorfindet z. B. bei Klimaanlagen mit hohem Luftwechsel, häufigem Öffnen von Fenstern oder Türen, bei starken Feuchtequellen im Raum selbst wie in Küche und Bad,... Achtung: Der Feuchtefühler muss dieselbe Temperatur annehmen wie die zu messende Luft. Bewegen des Fühlers in stehender Luft verkürzt die Angleichzeiten. Direkte Sonneneinstrahlung muss vermieden werden. Bereits wenige Zehntel Grad Temperaturdifferenz verfälschen das Messergebnis. Beobachtende Dauermessung Feuchteeffekte in der Nähe von Oberflächen werden am besten mit Datenspeichergeräten über eine längere Zeitdauer untersucht, da sich mehrere Einflüsse überlagern können (Einfluss der Klimaanlage, Wandtemperatur, periodische Schwankungen: 37

38 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Tag und Nacht, Wochenend-Temperaturabsenkung...). Als Ergebnis erhält man vielseitig interpretierbares Datenmaterial, mit dem man auch komplexe Vorgänge nachvollziehen kann. 1.4 Ermittlung von Feuchtekenngrößen theoretische Rechenbeispiele Einfaches Zahlenbeispiel In einem Raum mit 25 C und einer relativen Luftfeuchte von 80 %rf ergibt sich eine Taupunkttemperatur von 21 ºCtd (s. Mollier-Diagramm). Draußen herrscht eine Temperatur von 0 C. Die Brillengläser haben demnach auch eine Temperatur von 0 ºC. Beschlagene Brille Betrachtet man nun die Abhängigkeit der Sättigungsfeuchte von der entsprechenden Temperatur (s. Punkt ), ergibt sich Folgendes: Die Brillengläser haben bei 0 C die Fähigkeit ca. 4,84 g/m 3 Wasser maximal aufzunehmen. Im Raum mit den Bedingungen 25 C/80 %rf herrscht aber eine absolute Feuchte von ca. 18,43 g/m 3 (s. Formel auch unter Punkt ): U = g tatsächliche absolute Feuchte [ ] m % g maximal mögliche Feuchte [ ] m 3 Einsetzen der bekannten Zahlenwerte: 80 % = tatsächliche absolute Feuchte g [ ] m % g 23,04 m 3 38

39 Umstellen der Formel auf absolute Feuchte : absolute Feuchte g [ ] m 3 g 80 % 23,04 m = 3 = 18,43 g m 100 % 3 Somit wird an den Brillengläsern Sättigung erreicht. Die Gläser können die überschüssige Menge Wasser (über 4,84 g/m 3 ) nicht mehr aufnehmen und es kommt zur Kondensation. Sobald die Brillengläser die Temperatur des Raumes erreichen, haben diese auch die Fähigkeit, die Menge Wasser von 18,43 g/m 3 aufzunehmen und die Sicht wird wieder frei Faustformel Während der letzten 200 Jahre wurden eine Reihe von Näherungen für die Umrechnung zwischen Taupunkt und relativer Luftfeuchte vorgeschlagen, die aber alle einen Rechner oder Tabellen voraussetzen und größtenteils Exponenten und Logarithmen beinhalten. Nun hat Mark Lawrence vom Max-Planck- Institut für Chemie eine sehr einfache Faustregel für diese Umrechnung vorgeschlagen: Die relative Feuchte sinkt jeweils um 5 % wenn die Taupunkttemperatur um ein Grad abnimmt, ausgehend von 100 % relativer Feuchte, bei der der Taupunkt mit der normalen Lufttemperatur identisch ist. Diese Umrechnung ist gut anwendbar für feuchte Luft, das heißt, solange die relative Feuchte über etwa 50 % liegt. In der Praxis lässt sich damit spielend leicht der Taupunkt und somit die zu erwartende Behaglichkeit der Luft aus der relativen Feuchte und der Temperatur berechnen: Dr. Mark G. Lawrence * 1969 in New Jersey, USA arbeitete am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz und ist seit Oktober 2011 wissenschaftlicher Direktor am Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam. Wenn es draußen zum Beispiel 30 C warm ist und die Luftfeuchte 75 % beträgt, dann liegt der Taupunkt bei 25 Ctd. 39

40 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Siehe auch Berechnungsbeispiel unter Pkt : 25 C bei einer relativen Luftfeuchte von 80 %, d. h. Taupunkt liegt bei 21 Ctd Magnus-Formel Zur Berechnung des Sättigungsdampfdrucks kann die empirisch gefundene Magnus-Formel verwendet werden: e s (t) = C 1 exp C t 2 C 3 + t [hpa] Koeffizienten nach Magnus Heinrich Gustav Magnus * 2. Mai 1802 in Berlin 4. April 1870 in Berlin war ein deutscher Physiker und Chemiker, ab 1834 Professor in Berlin. Zustand Temperatur in C C 1 in hpa C 2 C 3 in C Eis -50,9... 0,0 6, , ,44 Wasser -50,9... 0,0 6, , ,425 Wasser 0, , , ,175 Zur Berechnung des Sättigungsdampfdrucks über Wasser (> 0 C) gilt nun folgende Formel: e s (t) = 6,1078 exp 17,08085 t 234,175 + t [hpa] Bei Einsetzen der Temperatur t in C, erhält man den Sättigungsdampfdruck e s in hpa. Für den Sättigungsdampfdruck über Eis ice e s gilt: e s ice (t) = 6,10714 exp 22,44294 t 272,44 + t [hpa] 40

41 Der Sättigungsdampfdruck über Wasser bei 0 C ist, wie man aus der Formel leicht erkennen kann, 6,1078 hpa. Der Sättigungsdampfdruck über Eis ist geringer als der Sättigungsdampfdruck über unterkühltem Wasser: e s ice < e s für t < 0 C Aus einer Eisfläche treten wegen der Bildung der Kristallgitter weniger Moleküle aus als aus einer unterkühlten Wasseroberfläche gleicher Temperatur. Bezeichnungen U = relative Feuchte t = Temperatur in C t K = Temperatur in Kelvin (t K = t + 273,15 K) t d = Taupunkttemperatur in C e w = Dampfdruck in hpa e s = Sättigungsdampfdruck in hpa Berechnung der relativen Feuchte aus der Taupunkttemperatur Beispiel (1) mit den abgelesenen Werten: t = 20 C t d = 8,5 Ctd Berechnung Sättigungsdampfdruck: e s (t) = 6,1078 hpa exp 17, C 234, C = 23,4199 hpa 41

42 Grundlagen der Feuchtemesstechnik Berechnung Dampfdruck: e w (t) = 6,1078 hpa exp 17, ,5 C 234, ,5 C = 11,1099 hpa Berechnung der relativen Feuchte: U = e w (t) [hpa] e s (t) [hpa] 11,1099 hpa 100 % = 100 % = 47,43 %rf 23,4199 hpa Berechnung der Taupunkttemperatur aus der relativen Feuchte Beispiel (2) mit den abgelesenen Werten: t = 20 C U = 50 %rf Berechnung Sättigungsdampfdruck: e s (t) = 6,1078 hpa exp Berechnung Dampfdruck: 17, C 234, C = 23,4199 hpa e w (t) = 23,4199 hpa 50 %rf 100 %rf = 11,71 hpa Berechnung der Taupunkttemperatur: t d = ln (e w / C 1 ) C 3 C 2 ln (e w / C 1 ) t d = ln (11,71 hpa / 6,1078 hpa) 234,175 C 17,08085 ln (11,71 hpa / 6,1078 hpa) = 9,28 Ctd 42

43 1.4.6 Zusammenfassung der Berechnungsformeln [1] Berechnung des Sättigungsdampfdrucks e s (t) = C 1 exp C t 2 C 3 + t [hpa] mit C 1 : Konstante [hpa]; siehe Magnus-Tabelle unter C 2 : Konstante; siehe Magnus-Tabelle unter C 3 : Konstante; siehe Magnus-Tabelle unter t: Temperatur in C [2] Berechnung des Dampfdrucks U e w = e s 100 % mit U: relative Feuchte [%rf] e s : Sättigungsdampfdruck [hpa] [3] Berechnung der relativen Feuchte U = e w 100 % e s mit e w : Dampfdruck [hpa] e s : Sättigungsdampfdruck [hpa] [4] Berechnung der Taupunkttemperatur t d = ln (e w / C 1 ) C 3 C 2 ln (e w / C 1 ) es gilt e s (t d ) = e w mit ln: natürlicher Logarithmus 43

44 Grundlagen der Feuchtemesstechnik [5] Berechnung der absoluten Feuchte f abs = 10 5 m w / R e w / t K mit m w : Molekulargewicht des Wasserdampfs [18,016 kg/mol] R: universelle Gaskonstante [8314,472 J/(kmol K)] t K : Temperatur in Kelvin [t K = t + 273,15] Ermittlung der Werte mit Hilfe des Mollier-Diagramms Siehe Beispiel (1) unter Pkt : ca. 47 %rf 50% Gegeben: 20 C 8,5 Ctd Zuerst geht man auf der Temperaturskala auf die 8,5 Ctd und fährt dann hinüber auf die 100 %rf-linie, da am Taupunkt 44

45 100 % rel. Feuchte herrscht. Von dort geht man senkrecht nach oben, bis man die 20 C-Linie kreuzt. Anschließend geht man auf der Feuchtelinie entlang. H G A F B E C D A: Kühlung und Entfeuchtung B: Kühlung C: Kühlung und Befeuchtung D: Befeuchtung E: Heizung und Befeuchtung F: Heizung G: Heizung und Entfeuchtung H: Entfeuchtung Siehe Beispiel (2) unter Pkt : Gegeben: 20 C 50 %rf Ctd Zuerst geht man auf der Temperaturskala auf die 20 C und 45

46 Grundlagen der Feuchtemesstechnik fährt dann hinüber auf die 50 %rf-linie. Von dort geht man senkrecht nach unten auf die 100 %rf-kennlinie, fährt dann zurück auf die Temperaturskala und liest dort den Wert für die Taupunkttemperatur ab. Das Mollier-Diagramm ist allerdings nur für statische Werte und nicht für dynamische Prozesse geeignet. 46

47 2 Messverfahren/Sensorik 2.1 Übersicht In der Literatur werden ca. 35 verschiedene Verfahren genannt, die unterschiedliche Wirkungen der Luftfeuchte ausnutzen. Nur wenige dieser Verfahren werden heutzutage eingesetzt. Üblicherweise werden solche Verfahren bevorzugt, die sich durch einfache Handhabung, hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit auszeichnen. Die gängigen Messverfahren zur Ermittlung der Luftfeuchte lassen sich in vier Gruppen unterteilen: 1) Längenänderungen - Haarhygrometer - Faserhygrometer 2) Temperaturänderungen - Psychrometer (Assmann-Aspirationspsychrometer) 3) Elektrische Änderungen - Keramische Sensoren - Lithium-Chlorid-Sensoren - Resistive Polymersensoren - kapazitive Polymersensoren 4) Optische Änderungen - Taupunktspiegel - IR-Absorption Je nach den Anforderungen des Messproblems lassen sich Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren gegenüberstellen und bewerten. Im Folgenden werden gängige Verfahren mit Gerätebeispielen behandelt. 47

48 Messverfahren/Sensorik 2.2 Haarhygrometer Das wohl bekannteste Verfahren zur Messung der Luftfeuchte ist das schon 1783 von De Saussure erfundene Haarhygrometer. Es ist eine der ältesten Methoden der Feuchtemessung und beruht auf der Längenänderung eines Menschen- oder Pferdehaares bei Wasseraufnahme. Haarhygrometer Die etwa 2,5 prozentige Längenänderung des Haares wird mittels Hebelwerk und Spannfeder direkt auf einer Skala angezeigt. Das Verfahren arbeitet mechanisch ohne Hilfsenergie. Allerdings benötigen Haarhygrometer einen nicht zu vernachlässigenden Wartungsaufwand, arbeiten dann aber unter günstigen Bedingungen sehr zuverlässig. Sie müssen vor allem bei Einsatz in niedrigen Feuchten öfter (alle 5 Tage bis 2 Wochen) regeneriert werden. Hierfür wird das Gerät für ca. 1 Stunde mit einem feuchten Lappen umwickelt. Es stellt sich eine Feuchte von ca. 95 %rf ein, auf die dann falls notwendig abgeglichen werden kann. Funktionsprinzip eines Haarhygrometers Gay-Lussac sche Zahlen Die Gay-Lussac schen Zahlen beschreiben die Längenausdehnung der Haare in einem Haarhygrometer. Die Haare dehnen sich bei einer Änderung der relativen Feuchte im Bereich % um ca. 2,5 %. Diese Änderung ist jedoch bei geringen relativen Feuchten größer als bei hohen relativen Feuchten. Die Längenänderung in Bezug auf die Gesamtlängenänderung l folgt bei relativen Feuchten f der Beziehung in folgender Tabelle bzw. in folgendem Diagramm. 48

49 f [%] l [%] 0 20,9 38,8 52,8 63,7 72,8 79,2 85,2 90,5 95,4 100 Joseph-Louis Gay-Lussac * 6. Dezember 1778 in Saint-Léonard-de-Noblat 9./10. Mai 1850 in Paris war ein französischer Chemiker und Physiker. Vergleich der Messungen des Hygrographen mit den Gay-Lussac schen Zahlen Man sieht, dass beide Messwerte über der realen relativen Feuchte liegen, beide Messwerte sind jedoch weniger als 6 % von den mit dem Psychrometer gemessenen Werten entfernt. Die Abweichung von der theoretischen Längenänderung (nach den Gay Lussac schen Zahlen) beträgt in beiden Fällen etwa 8 %. 49

50 Messverfahren/Sensorik Bauformen In technischen Haarhygrometern werden überlicherweise Haarharfen (mehrere Haare in einem Rahmen) eingesetzt, um die Stabilität der Geräte zu erhöhen. Zudem werden die Haare vor dem Einbau zu einem ovalen Querschnitt gewalzt, um die Ansprechzeit zu verringern. Sehr verbreitet sind die Thermo- Hydrographen, die ohne Hilfsenergie Raumklimata registrieren. 50

51 2.2.3 Messbereich und Hysterese von Haarhygrometern Menschenhaare können sich bei kleinen Feuchten auch ohne Feuchteerhöhung verlängern, wobei hierbei die mechanische Vorspannung eine erhebliche Rolle spielt. Ihr Einsatz empfiehlt sich also erst ab Feuchten > 20 %rf. Bei höheren Feuchten flacht die Kennlinie stark ab. Die Einstellung erfolgt sehr langsam. Oberhalb von 85 %rf ist ein sicherer Betrieb nicht mehr gewährleistet. Luftfeuchtigkeitsabhängigkeit der Längenausdehnung Beim Durchlaufen des gesamten Messbereichs lässt sich ein deutlicher Unterschied des angezeigten Messwertes feststellen, wenn die Feuchte einmal steigt und dann wieder fällt (Hysterese). Der hierdurch bedingte Messfehler kann bis zu 8 %rf betragen. Ein weiterer Effekt, der nicht vergessen werden sollte ist das starke Überschwingen der Messwerte bei schnellen Feuchteerhöhungen. Hysteresekurve Vor- und Nachteile von Haarhygrometern Vorteile Keine Stromzufuhr Direkte Anzeige Low-Cost-Anwendungen Nachteile Hoher Wartungsaufwand Häufige Regenerierung Hysterese Einsetzbar nur von 15 % bis 85 %rf bis max. 50 C Sehr hohe Ungenauigkeiten Langsame, träge Messung Verschmutzungsempfindlich Empfindlich beim Transport 51

52 Messverfahren/Sensorik 2.3 Faserhygrometer Durch Verwendung von Kunststofffasern (Nylon- oder Cellophanfasern) können verschiedene Nachteile der Menschen- bzw. Pferdehaare vermieden werden. Wetterhäusle sagen das Wetter mit Hilfe der vorhandenen Luftfeuchtigkeit voraus. Sie enthalten meist Stoffe fasriger Natur, z. B. Haare oder Garne, die den Wasserdampf aus der Luft aufnehmen und sich dabei verlängern. Der eingeschränkte Temperaturbereich beim Einsatz von Menschen- bzw. Pferdehaaren (< 50 C) kann mit Kunststofffasern auf bis zu 110 C erweitert werden. Zudem entfällt die zeitaufwändige Regeneration (Faserhygrometer dürfen nicht regeneriert werden!). Hygrometer mit Kunststofffasern reagieren auch erheblich schneller als Haare, was jedoch durch Temperatur und Luftfeuchte beeinflusst wird. Vorteile gegenüber den Haarhygrometern: erweiterter Temperaturbereich bis 110 C keine Regeneration schnellere Angleichzeit 2.4 Psychrometer Das Messprinzip der immer noch weit verbreiteten Psychrometer beruht auf der Tatsache, dass verdunstendes Wasser der Umgebung Wärmeenergie entnimmt. D. h., dass ein feuchter Gegenstand (Baumwolle etc.) beim Anblasen mit Luft durch Verdunstung abkühlt. Die Abkühlung eines trockenen Gegenstandes ist dabei nicht so stark. Diesen Effekt kennt man, wenn man einmal einen trockenen und einmal einen befeuchteten Finger in den Wind hält. Dies hat zur Folge, dass sich die Temperatur um die Verdunstungsstelle gegenüber der Umgebungstemperatur verringert. 52

53 In trockener Atmosphäre ist die Verdunstung von Wasser intensiver als bei hohen Feuchten, so dass die Temperaturdifferenz zur Umgebung als Maß für die Luftfeuchte herangezogen werden kann. t p = t 2 - t 1 Die Messung erfolgt durch zwei Thermometer. Eines misst die Temperatur der Umgebung und ein zweites die sogenannte Feuchtkugeltemperatur. Dazu wird das Thermometer über einen Baumwollstrumpf befeuchtet und mit einem Luftstrom von 2 bis 3 m/s beaufschlagt. Der Unterschied der beiden Temperaturen wird als psychrometrische Differenz bezeichnet und kann mittels Tabellen, Diagrammen (z. B. Mollier) oder Umrechnungsformeln in Mikroprozessoren in die relative Feuchte umgerechnet werden. Der Kennlinienverlauf ist stark nichtlinear. Wichtig ist hierbei, dass die Luft mit einer genau definierten und konstanten Luftgeschwindigkeit an den Thermometern vorbeiströmt. Unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten erzeugen unterschiedliche Temperaturdifferenzen. 53

54 Messverfahren/Sensorik Assmann-Aspirationspsychrometer Das gebräuchlichste und international als Normal für meteorologische Messungen anerkannte Assmann-Psychrometer ist mit einem Federwerkaspirator ausgestattet. Dieser gestattet für ca. 12 min einen konstanten Luftstrom mit ca. 2,4 m/s an beiden Thermometern. Durch gute Wärmeisolation und Strahlungsschutz wird gewährleistet, dass störende Einflüsse aufgrund unerwünschter Wärmezufuhr weitgehend ausgeschaltet werden. Der Baumwollstrumpf taucht in ein Vorratsgefäß mit Wasser ein. Für gute Messergebnisse ist es wichtig den Baumwollstrumpf stets gut befeuchtet zu halten. Die Temperaturmessung muss sehr exakt erfolgen. Ein Ablesefehler aufgrund Parallaxe von 0,1 C kann bei 0 C und hoher Luftfeuchte zu relativen Messfehlern von bis zu 5 % führen. Eine Drift der Messwerte kann durch Salzablagerungen am Strumpf auftreten. Die Verwendung von destilliertem Wasser ist vorgeschrieben (da anderer Verdunstungsgrad). Bei exakter Temperaturmessung und guter Wartung können Genauigkeiten von ±2 %rf erzielt werden. 54

55 2.4.2 Vor-/Nachteile von Psychrometern Vorteile Anerkanntes Verfahren Genauigkeiten von bis zu ±2 %rf möglich Unempfindlich gegen aggressive Gase Nachteile Hoher Wartungsaufwand Konstante Luftströmung erforderlich Schlecht für Dauermessung geeignet, max. 12 min Sehr hohe Ungenauigkeiten Keine punktuelle Messung möglich; 1. Ablesung nach ca. 2 min möglich Vor jeder Messung muss ein Temperaturangleich an die Umgebung stattfinden 2.5 Feuchtesensoren Ein Sensor (lateinisch sensus: Gefühl ) oder (Mess-)Fühler ist ein technisches Bauteil, das neben bestimmten physikalischen oder chemischen Eigenschaften (z. B. Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schallwechseldruck, Schall, Helligkeit, Magnetismus, Beschleunigung, Kraft) auch die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Aufgrund des großen Dynamikbereichs und der Tatsache, dass es kaum Materialien und physikalische Effekte gibt, die nicht durch Wasserdampf im Messgas beeinflusst werden, gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensorprinzipien, die Feuchte zu bestimmen. 55

56 Messverfahren/Sensorik Keramische Sensoren Seit etwa 25 Jahren wird das Prinzip der Wasseradsorption an poröser Keramik für die Feuchtemessung eingesetzt. Sie bestehen aus einer massiven Aluminium-Grundelektrode, der aktiven Schicht aus porösem Aluminiumoxid (Al2O3) und einer wasserdampfdurchlässigen Gegenelektrode aus Gold. Bei der Adsorption von Wasser verändert sich durch dessen hohe Dielektrizitätskonstante die Kapazität des Sensors, die ein Maß für die absolute Feuchte darstellt. Diese wird dann über die Frequenzänderung in einem Schwingkreis bestimmt. Keramische Sensoren eignen sich vor allem zur Bestimmung von Spurenfeuchte im Bereich von -110 bis +20 C Taupunkt. Die Genauigkeit der Messung liegt zwischen ±3 K (< -65 Ctd) und ±2 K (-65 bis 20 Ctd). Bei kleinen Feuchten muss eine erhebliche Trocknungszeit gleichbedeutend mit einer langen Messzeit berücksichtigt werden. 56

57 Darüber hinaus kann bei nicht ausreichender Oxidation der aktiven Schicht eine Alterung durch Nachoxydation auftreten, was sich in einer Drift des Messwertes niederschlägt. Durch eine der Produktion nachgeschaltete Voralterung der Sensoren kann dieser Effekt jedoch verringert werden. In den Kavitäten (= Poren) der keramischen Sensoren können sich Verunreinigungen anreichern, was zu bleibender Schädigung führen kann Lithium-Chlorid-Sensoren Beim Lithium-Chlorid-Sensor wird die Leitfähigkeit einer kleinen geheizten, mit LiCl-Salz beschichteteten Fläche gemessen, die in Kontakt mit dem Messgas steht. Dabei werden zwei Effekte genutzt: Das LiCl senkt in seiner unmittelbaren Umgebung den Wasserdampfpartialdruck auf 10 bis 11 %rf (je nach Gastemperatur) ab; solange die relative Feuchte der Umgebung größer ist, nimmt das Salz Feuchte auf und es entsteht eine Elektrolytlösung Durch die zunehmende Verdünnung der Elektrolytlösung nimmt der Leitwert zu Der Leitwert wird durch Regelung der Heizung auf einem konstanten Wert gehalten. Wird zuviel geheizt, so verliert der Elektrolyt wieder Wasser. Dadurch steigt der Widerstand des Elektrolyten wieder an und die Heizregelung reduziert die Heizleistung. Dieser Vorgang geschieht so lange, bis ein stabiler Zustand erreicht ist, an dem weder Feuchteaufnahme noch -abgabe stattfindet. Dieser Punkt heißt Umwandlungstemperatur und ist ein Maß für den Wasserdampfpartialdruck im Messgas. 57

58 Messverfahren/Sensorik Ein Vorteil des LiCl-Sensors ist eine nahezu hysteresefreie Messung und die Unempfindlichkeit gegen Verschmutzungen. Jedoch muss die LiCl-Lösung von Zeit zu Zeit regeneriert werden. Der messbare Taupunktbereich liegt zwischen -30 Ctd und 100 Ctd, wobei die Umgebungstemperatur so gewählt sein sollte, dass die relative Feuchte 10 % nicht unterschreitet. Ansonsten müsste der Sensor gekühlt werden, um ein Wasserdampfgleichgewicht zu erzeugen. E: Vorderseite Elektrode H: Rückseite Heizmäander P: Platinmesswiderstand R: Leitwertregler T: Temperaturmessumformer Polymersensoren Ein Polymersensor nutzt die Veränderung der Eigenschaften eines speziellen Kunststoffes (Polymer) in Abhängigkeit von der Feuchte der Umgebung. Einfache Polymersensoren nutzen die Veränderung des elektrischen Widerstandes einer feuchteempfindlichen Polymerschicht (resistive Polymersensoren), höherwertige Geräte haben auf den Seiten eines kleinen Polymerplättchens Metallflächen angebracht und messen die Veränderung der Dielektrizitätskonstante des Polymers als Veränderung der Kapazität der Anordnung (kapazitive Polymersensoren). Bei Kenntnis der Messtemperatur lässt sich die relative Feuchte in eine absolute Feuchte umrechnen. 58

59 Im Bild ist ein Sensoraufbau mit einer 1 µm dicken Chromschicht als Gegenelektrode dargestellt. Durch thermische Behandlung entstehen mikroskopische Risse in der Elektrode und dem darunterliegenden Polymer, so dass ein Zugang zur aktiven Schicht geschaffen wird Resistive Polymersensoren Bei resistiven Sensoren wird der Effekt ausgenutzt, dass ein hygroskopisches, ionisch aufgebautes Material durch Wasseranlagerung seine Leitfähigkeit ändert. Der feuchteabhängige Widerstandswert kann mit üblichen Verfahren bestimmt werden und ist ein Maß für die relative Feuchte. Resistive Sensoren zeigen stark exponentielle Kennlinien, die Widerstandswerte steigen bei kleinen Feuchten bis zu mehreren Giga-Ohm. Sie sind deshalb vor allem für die Messung höherer Feuchten geeignet. Die starke Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit muss kompensiert werden. 59

60 Messverfahren/Sensorik Aufgrund ihres günstigen Preises und ihrer geringen Genauigkeit (±3... ±7 %rf) werden sie vor allem für einfache Registrierund Alarmschaltungen eingesetzt (z. B. Regelung von Lüftern in Klimaanlagen) Vor-/Nachteile von resistiven Polymersensoren Vorteile Preisgünstig Kleine Bauform Nachteile Eingeschränkter Messbereich Stark temperaturabhängig Geringe Genauigkeit Kapazitive Polymersensoren Im Klimabereich sind Dünnschichtsensoren am häufigsten verbreitet. Ihr Marktanteil wird auf über 70 % geschätzt. Üblicherweise wird die feuchteabhängige (hygroskopische) Kapazität einer Polymerschicht zwischen den Elektroden als Messgröße 60

61 ausgewertet. Die Kapazitätsänderung wird von einer Elektronik, die sich in der Regel direkt am Feuchtesensorelement befindet, in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Die hohe Dielektrizitätskonstante von Wasser (ε r = 80) im Vergleich zu Luft (ε r = 1) bewirkt schon bei kleinen Feuchten deutliche Kapazitätsänderungen. Aufgrund der recht linearen Kennlinie des Verfahrens können gute Genauigkeiten von kleinen bis hin zu großen Feuchten erzielt werden (±1 %rf). Durch geeignete Polymerauswahl kann der Temperaturkoeffizient auf bis zu 0,02 %rf/k reduziert werden, wodurch sie für große Temperaturspannen (-60 C bis +180 C) ohne aufwendige Kompensationsverfahren eingesetzt werden können. Durch die kleine Bauform und die dünnen Schichten werden sehr kurze Ansprechzeiten von unter 2 Minuten angegeben. Dielektrische Schicht: Polymer, verändert Dielektrizität stetig mit der relativen Feuchte Obere Elektrode: - lässt Feuchte zur dielektrischen Schicht vordringen - weist Kondensat und Verunreinigungen ab Untere Elektrode Anschlüsse: Spezielles Anti-Korrosions- Design Träger: Keramiksubstrat für mechanischen Schutz 61

62 Messverfahren/Sensorik Der Testo-Feuchtesensor Der Testo-Feuchtesensor ist ein kapazitiver Polymer-Sensor auf Keramikträger. Bei dem seit über 15 Jahren erfolgreich eingesetzten und kontinuierlich verbesserten Testo-Feuchtesensor lag von Anfang an das Augenmerk auf den Kenngrößen Genauigkeit und Langzeitstabilität. Der kapazitive Feuchtesensor ist im Prinzip ein Plattenkondensator. Ein Plattenkondensator besteht aus zwei elektrisch leitfähigen Platten (Elektroden), die einander gegenüberliegen. Obere Elektrode Dielektrikum: ε r d = Plattenabstand Untere Elektrode Sie sind durch eine Isolierschicht getrennt, die man Dielektrikum nennt. Im Dielektrikum eines geladenen Kondensators wird Energie gespeichert, die wieder freigesetzt werden kann. Der Grundaufbau wurde von Testo entwickelt und zwischenzeitlich von einigen Anbietern nachgebaut: Ein feuchtesensitives Polymer dient als Dielektrikum zwischen zwei Kondensator-Elektroden. Die Besonderheit aber liegt in der perfekten Abstimmung der einzelnen Schichten aufeinander. Das zeigt sich vor allem bei der oberen Elektrode, die zwei Aufgaben zu erfüllen hat, die sich auf den ersten Blick widersprechen: Sie 62

63 muss ganz durchlässig sein für den Wasserdampf, der dem Polymer-Dielektrikum zugeführt werden soll. Zugleich aber muss sie dicht, glatt und abweisend sein in Bezug auf Kondensat, Öl und Verschmutzungen, um den Sensor zu schützen. Diese Kombination ist beim Testo-Feuchtesensor mit Hilfe großer Forschungsaufwendungen optimal gelungen. Aufgrund dieses Aufbaus und der hohen Stabilität in der Testo-Fertigung und im Testo-Abgleich ist es möglich, eine Genauigkeit von ±2 %rf zu gewährleisten, optional auch mit ±1 %rf. Darüber hinaus besitzt der Feuchtesensor eine hohe Langzeitstabilität. Diese wurde in einem 5-jährigen Ringversuch (von 1996 bis 2001) bewiesen, bei dem mehrere Feuchtesensoren von Testo eine Vielzahl internationaler Kalibrierlaboratorien (PTB, NIST etc.) durchliefen, wobei auch ohne Nachabgleich die ±1 %rf-grenze nicht überschritten wurde. 63

64 Messverfahren/Sensorik Vorteile von kapazitiven Polymersensoren Schnelle Reaktionszeit Sehr präzise (bis zu ±1 %rf) Robust Nahezu lineare Kennlinie Großer Messbereich Langzeitstabil Kleine, tragbare Messgeräte Kleine Abmessung 2.6 Taupunktspiegelhygrometer 64

65 Das Messprinzip der Taupunktspiegelhygrometer beruht auf der Abkühlung der feuchten Luft bis Kondensation eintritt. Das Auftreten kondensierenden Wassers an einem temperierten Spiegel wird optisch festgestellt und zwar dann, wenn der Spiegel gerade anfängt zu beschlagen. Die in diesem Moment herrschende Temperatur entspricht der Taupunkttemperatur. Eine Regeleinrichtung hält die Spiegeltemperatur dann konstant auf der Taupunkttemperatur, die dann mittels Platin-Temperatursensoren sehr genau bestimmt werden kann. Zur Kühlung wird ein Peltierelement eingesetzt, und die verspiegelte Fläche wird über optoelektronische Verfahren ausgewertet (siehe Skizze rechts). LED Spiegel Peltierelement (mehrstufig) Photodetektor Pt100 Skizze zum Messprinzip eines Tauspiegelhygrometers Im Gegensatz zu Psychrometern ändert sich der Feuchtegehalt der Atmosphäre durch die Messung fast nicht. Daher können Taupunktspiegelinstrumente auch in geschlossenen Systemen wie Klimaschränken eingesetzt werden. Die Spiegel müssen regelmässig mit einer geeigneten Flüssigkeit, wie zum Beispiel Trichlorethan gereinigt werden. Problematisch ist oft die Messung von Taupunkten unterhalb 0 Ctd, da hier sowohl eine Betauung mit flüssigem Wasser, als auch eine Vereisung des Spiegels auftreten kann. Da sich Tau- und Frostpunkttemperatur aufgrund der unterschiedlichen Dampfdrücke deutlich unterscheiden, können hier erhebliche Messfehler entstehen. Zu diesem Zweck können Taupunktspiegelhygrometer mit Endoskopen ausgerüstet werden, um die Betauung oder Vereisung des Spiegels zu erkennen. Da der apparative Aufwand für dieses Messverfahren sehr hoch und kostenintensiv ist, werden Taupunktspiegelhygrometer hauptsächlich für Laboranwendungen oder als Kalibriernormale eingesetzt. 65

66 Messverfahren/Sensorik Der Messbereich marktüblicher Geräte liegt heute bei -80 Ctd bis +130 Ctd. Es können Genauigkeiten von bis zu ±0,1 K erreicht werden Vor-/Nachteile von Taupunktspiegelhygrometern Vorteile Sehr hohe Genauigkeit (bis zu ±0,1 Ctd) Großer Messbereich Langzeitstabil Kurze Ansprechzeiten Hohe Zuverlässigkeit Als präzise Laborreferenz einsetzbar Nachteile Sehr genaue Temperaturmessung erforderlich Größere Tischgeräte Wartungsaufwand Teuer 2.7 Infrarotabsorption Die IR-Absorption von Stoffen ist feuchteabhängig. Die Intensität des reflektierenden IR-Spektrums wird dabei gemessen. Die Infrarotfeuchtesensoren arbeiten also nach dem Prinzip der Absorption von Infrarotlicht bei bestimmten Wellenlängen. In bestimmten Anwendungsfällen können diese Sensoren erfolgreich eingesetzt werden. 66

67 3 Testo-Feuchtemessgeräte im Überblick 3.1 Messgeräte für verschiedene Anwendungen testostor Temperaturmessdaten-Speichergerät mit externem C/%rF-Fühler, um in einer Entfernung von bis zu 12 m Messungen durchführen zu können Das aktuelle Testo-Produktprogramm finden Sie unter: testo 175-H1 2-Kanal-Feuchte-/Temperaturlogger mit internen Sensoren testo 635-1/-2 Feuchte-/Temperaturmessgerät, zur Messung der Luftfeuchte, Materialausgleichsfeuchte und zur Messung des Drucktaupunkts in Druckluftsystemen. Kabellos, d. h. mit Messdatenübertragung per Funk, können bis zu 3 Temperatur- oder Feuchtefühler angezeigt werden. Direkte Anzeige des Taupunktabstands zwischen Raumluft und Wandoberfläche. 67

68 Testo-Feuchtemessgeräte im Überblick testo 845 Infrarot-Temperaturmessgerät inkl. Feuchtemodul testo 625 Feuchte-/Temperaturmessgerät inkl. Feuchtefühler; bei Messungen an schlecht zugänglichen Stellen kann der Feuchtefühlerkopf einfach abgenommen und auf den Handgriff mit Fühlerleitung (Zubehör) gesteckt werden. Alternativ können die Messwerte kabellos über weite Entfernungen vom Fühler zum Messgerät übertragen werden. Dazu wird der Feuchtefühlerkopf auf den Funkhandgriff (Zubehör) gesteckt und das testo 625 mit dem Funkmodul (Zubehör) ergänzt. 68

69 testo 650 Multifunktionsreferenzmessgerät, automatische Korrektur des Absolutdruckes für präzise Messungen. aw-wert-messung mit Trendanzeige und automatischem Erkennen des Gleichgewichtszustandes. Das testo 650 kann in Verbindung mit dem hochpräzisen Feuchtefühler bzw. dem hochpräzisen Drucktaupunktfühler als Referenzmesssystem in Klimakammern/ -räumen und Druckluftsystemen eingesetzt werden. testo Feuchtesensor Hochpräziser Feuchte-/ Temperaturfühler Drucktaupunktfühler zur Messung in Druckluftsystemen 69

70 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung 4 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung 4.1 Überblick Entscheidend für die Prozesspräzision und Kosteneinsparung ist auch bei langzeitstabiler Sensorik die regelmäßige Kalibrierung und eventuelle Nachjustage. Bleibt dies aus, läuft man Gefahr, das Feuchte-Sollintervall bereits nach ein bis zwei Jahren enger definieren zu müssen, mit erheblichen Auswirkungen auf die Betriebskosten. Für den Prüfmittel- bzw. Anlagenverantwortlichen ist es entscheidend, passend zum Feuchtemessgerät ein Komplettsystem vorzufinden, das diese Kalibrierung und Justage mit geringem Aufwand ermöglicht. Grundsätzlich wird bei Kalibrierungen ein Prüfling mit einem Normal (höherwertiges Referenzgerät) unter optimierten Bedingungen verglichen. Hierzu ist eine Prüfbedingung zu schaffen, die hohe Stabilität und Reproduzierbarkeit gewährleistet. Im Vergleich zu anderen Messgrößen (Temperatur, Strömung...) ist die Kalibrierung von Hygrometern schwieriger, da die Erzeugung definierter Feuchte einen wesentlich höheren Aufwand darstellt. Vor allem im Spuren- und Hochfeuchtebereich treten spezifische Probleme wie Adsorptions-/Desorptionserscheinungen* oder Kondensatausfall auf. Zur Kalibrierung von Feuchtemessgeräten/-datenloggern/ -messumformern werden vorzugsweise folgende Messmethoden und Messsysteme verwendet: Feuchtes-Tuch-/Feuchter-Lappen-Methode Fixpunktzellen/Salztöpfchen Zwei-Mengen-Generatoren Zwei-Temperatur-/Zwei-Druck-Generatoren Drucktaupunktanlagen 70

71 * Beim Vorgang der Adsorption (lat.: adsorptio bzw. adsorbere = (an-)saugen) lagert sich ein Atom oder Molekül aus einem Gas oder einer Flüssigkeit an einer inneren Oberfläche 1 eines anderen Stoffes (des Adsorbens 2 ) infolge bestimmter physikalischer Wechselwirkungen an. Der adsorbierende Stoff muss über eine sehr große innere Oberfläche verfügen. Desorption (aus dem lat. de-sorbere; sorbere = (auf-)saugen) bezeichnet den Vorgang, wenn Fremdatome bzw. Moleküle die Oberfläche eines Festkörpers verlassen. Die Desorption stellt damit den Umkehrvorgang der Adsorption dar. 1 Die innere Oberfläche von porösen oder körnigen Feststoffen umfasst die Gesamtheit aller darin enthaltenen Oberflächen, also auch jene, die sich zwischen den einzelnen Körnern bzw. durch die Porenränder ergeben. 2 Adsorbens: In der Regel Feststoffe, die durch eine geeignete Oberfläche die Anlagerung von fremden Stoffen durch molekulare Bindungskräfte ermöglichen. 4.2 Feuchtes-Tuch-/Feuchter-Lappen- Methode Als Schnelltest zur Feststellung der ungefähren Abweichung eines Messgeräts kann dessen Fühler mit einem feuchten Tuch umwickelt werden. Nach ausreichender Angleichzeit (ca. 30 min bis 1 h) stellt sich unter dem Tuch eine nahezu gesättigte Atmosphäre von ca. 94 %rf bis 100 %rf ein. Mit diesem schnellen, einfachen und äußerst preiswerten Verfahren läßt sich leicht entscheiden, ob ein Messsystem noch korrekt arbeitet, oder ob eine genauere Kalibrierung mit Justage erforderlich ist. 71

72 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung 4.3 Fixpunktzellen/Salztöpfchen Mit dem feuchten Tuch können Feuchtigkeitswerte unterhalb der Sättigung nicht ausreichend genau und reproduzierbar erzeugt werden. Man nutzt statt dessen gesättigte Salzlösungen, die den Dampfdruck des Wassers verringern und mit einem Überschuss an Salz (ungelöstes Salz als Bodenkörper) in einem luftdichten Gefäß eine konstante Luftfeuchtigkeit ergeben. Durch Wahl geeigneter Salze können über den gesamten Messbereich verschiedene Feuchtewerte eingestellt werden, die dann als Bezugsgröße für die Kalibrierung herangezogen werden können. Eine rückführbare Kalibrierung auf nationale bzw. internationale Normale ist nur dann möglich, wenn die Salzlösungen kalibriert sind! Literaturwerte 72

73 Die über gesättigte Salzlösungen erhaltenen Luftfeuchten sind in der DIN Teil 2 genannt. Aus der Tabelle können die Bezugswerte bei den entsprechenden Temperaturen entnommen werden. Sie gelten nur für ausreichende Angleichzeiten und reine Salze. Leider werden in verschiedenen Quellen unterschiedliche Werte mit Abweichungen von bis zu 3 %rf angegeben: LiCl bei 10 C: DIN 50008: 14 %rf ISA Transactions: 11,3 %rf Es ist deshalb äußerst wichtig, die Bezugsquelle des Referenzwertes zu dokumentieren, um die Kalibrierung nachvollziehen zu können. Sicherer ist es, Salze oder Salzlösungen von Herstellern zu beziehen, die den erzeugten Feuchtewert nachweislich bestimmt haben. Fixpunktzellen werden auch vom Testo Industrial Services-Kalibrierlabor kalibriert und zertifiziert. Werden Zwischenwerte benötigt, können über die Salzkonzentration auch andere Dampfdrücke eingestellt werden. Der Zusammenhang zwischen Salzkonzentration und entstehender Luftfeuchte ist in der Literatur beschrieben. Problematisch ist allerdings das genaue Einwiegen und der Ausgleich verdunstenden Wassers, um ausreichende Genauigkeiten zu erzielen. Daher ist es bei eigens hergestellten Salzlösungen zwingend erforderlich, den richtigen Wert mit einem geeigneten Referenzmessgerät zu messen und diesen dann mit dem zu kalibrierenden Hygrometer zu vergleichen. Als sichere Methode wird die Verwendung gesättigter Lösungen empfohlen. 73

74 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung Wasser und Lösevermögen Das Lösevermögen von Wasser ist je nach Stoff unterschiedlich. Vollkommen unlöslich in Wasser ist kein Stoff, aber es gibt viele Substanzen, die derart wenig löslich sind, dass sie in der Praxis als unlöslich betrachtet werden können. Die Löslichkeit aller Stoffe ist mehr oder weniger von der Temperatur abhängig. Bei gewöhnlichem Kochsalz (NaCl) z. B. ändert sie sich von 0 C bis 100 C nur sehr wenig. Eine gesättigte Kochsalzlösung hat einen Gefrierpunkt von -21 C, einen Siedepunkt von 108 C und enthält 356 g NaCl/ Liter bei 0 C (359 g/l bei 25 C). Gegenüber reinem Wasser hat Salzwasser, obwohl es schwerer ist, eine geringere spezifische Wärmekapazität. Diese Eigenschaft lässt sich beim Kochen nutzen, wenn man Salz in kaltes Wasser zugibt (ca. 1 % Energieersparnis). Salzwasser hat gegenüber reinem Wasser eine erheblich (~1 Mio.-fach) größere elektrische Leitfähigkeit Mögliche Anwendungsfehler Wichtig für einen korrekten Feuchtewert ist vor allem, dass die Salzlösung gesättigt ist. Sättigung ist daran erkennbar, dass in der wässrigen Lösung noch ungelöste Salzkristalle vorhanden sind und ausreichend Wasser vorliegt. Ist nicht genügend Salz in der Lösung, steigt die relative Feuchte an und die Literaturwerte können nicht als Bezugsgröße herangezogen werden. Zweitens zeigen die erzeugten Feuchten eine gewisse Temperaturabhängigkeit. Da dieser Effekt relativ gering ist, kann er für die meisten Anwendungen vernachlässigt werden. Wichtig 74

75 ist auch die Beachtung der Salzreinheit, da durch bestimmte Verunreinigungen der Feuchtewert erheblich verändert werden kann. Von verschiedenen Herstellern werden solche Salze fertig konfektioniert und kalibriert angeboten, wodurch die höchste Gewähr besteht, genaue Feuchtewerte zu erhalten Einfacher Prüfbehälter Sehr einfach lassen sich Kalibrierungen vollziehen, wenn die fertigen Salzlösungen in Prüfbehältern enthalten sind, wo sie nicht verunreinigt mehrfach verwendet werden können. Im Mantel eines doppelwandigen Gefäßes befindet sich die Lösung, durch ein Diaphragma vom eigentlichen Messraum getrennt. Das Diaphragma verhindert das Austreten von flüssigem Wasser in die Messkammer, wohingegen Wasserdampf passieren kann. Die Messkammer ist gerade so groß, dass der Prüfling eingebracht werden kann, denn: je kleiner der Luftraum, desto kürzer die Angleichzeit. Mittels Schraubverschluss wird die Kammer luftdicht verschlossen, um einen Ausgleich mit der Umgebung zu verhindern. Messbereit sind die Salztöpfchen nur dann, wenn ein deutlich sichtbarer Salzrückstand am Boden des Gefäßes vorliegt und genügend Wasser übersteht. Erst dann liegt eine gesättigte Lösung vor. Vorsicht: Manche Feuchtefühler sind nicht luftdicht! 75

76 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung 4.4 Zwei-Mengen-Generatoren Bei Feuchtegeneratoren nach der 2-Mengen-Methode wird der gewünschte Feuchtewert durch Mischung eines getrockneten und eines gesättigten Luftstromes eingestellt. Durch Ändern des Mischungsverhältnisses kann die Feuchte im Bereich 0 %rf bis 99,9 %rf beliebig variiert werden. Je nach Genauigkeit der Referenz und der Güte der Luftstromregelung kann die Luftfeuchte auf ±1 %rf bis ±5 %rf genau eingestellt werden. Es ist dafür Sorge zu tragen, dass im Befeuchter immer genügend Wasser enthalten ist und das Trocknungsmittel genügend Kapazität vorweist. Funktionsprinzip: 76

77 4.4.1 Klimaschrank Im Prinzip arbeitet ein Klimaschrank nach dem 2-Mengen- Verfahren, wobei leistungsfähigere Aggregate und Temperiereinrichtungen weite Feuchte- und Temperaturbereiche abdecken können. Durch Absenken der Temperatur im Befeuchter (Solebecken) können sehr kleine Feuchten bei unterschiedlichen Temperaturen eingestellt werden. Auch hohe Luftfeuchten werden mittels ausgeklügelter Regelstrategien ohne die Gefahr von Kondensation handhabbar. Es werden auch Klimakammern angeboten, bei denen die Soll-Feuchte nur über die Temperatur des Befeuchterbeckens eingestellt wird. Das Beimischen des Trockenluftstroms entfällt. Dies führt allerdings zu erheblich längeren Einstellzeiten. Üblicherweise werden Taupunktspiegelmessgeräte oder präzise Feuchtesensoren als Messwertgeber für die Feuchteregelung eingesetzt. Klimakammer, technische Daten: Temperaturbereich: -18 C C Feuchtebereich: %rf Feuchte Messunsicherheit: ±0,6 %rf... ±6,2 %rf Taupunkttemperatur: -20 Ctd Ctd Taupunkttemperatur MU: ±0,2 K (-20 Ctd Ctd) ±0,25 K (>+50 Ctd Ctd) 77

78 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung Huminator - Klimakammer im Kleinformat Der Huminator von Testo Industrial Services funktioniert nach dem Prinzip eines Zwei-Mengen-Generators (siehe Funktionsdiagramm). Es handelt sich um einen Klimagenerator, der sowohl im Labor als auch bei Kunden vor Ort eingesetzt werden kann. Die neue Generation des Huminators, der Huminator II hat einen hochpräzisen Feuchte-/Temperaturfühler in der Mitte der Kammer intern verbaut. Durch die einfache Ausbaumöglichkeit, die Positionierung in der Kammer und die Digitalmesstechnik des Fühlers kann dieser als Referenz eingesetzt werden. Huminator II, technische Daten: Temperatur Mess-/Regelbereich: +5 C C Temperatur Stabilität: ±0,02 C (bei +25 C; 50 %rf) Temperatur Homogenität (typisch): ±0,2 C Feuchte Mess-/Regelbereich: %rf Feuchte Stabilität: ±0,3 %rf ( %rf bei C) ±0,5 %rf (typ. restlicher Bereich) Feuchte Homogenität (typisch): ±0,5 %rf Stabilisierungszeit: 3 min (von 35 %rf auf 80 %rf bei 25 C) Typ. Gesamtmessunsicherheit (k=2) Temperatur: ±0,2 C ( %rf bei 25 C) ±0,5 C (restl. Bereich) Typ. Gesamtmessunsicherheit (k=2) Feuchte: ±1,5 %rf ( %rf bei 25 C) ±2,0 %rf (restl. Bereich) Abmessungen (T B H): 482 mm 448 mm 290 mm Nutzvolumen: ca. 4,2 Liter Gewicht: 19 kg 78

79 4.4.3 Ablauf von Kalibrierungen im Huminator II Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Messgerät im Huminator II zu kalibrieren. 1. Das Prüfmittel wird an einem Feuchte- und einem Temperaturpunkt kalibriert (Bsp.: 75,3 %rf bei +25 C): In diesem Fall werden die Werte direkt am Touchscreen des Huminator II eingegeben und die Regelung gestartet. Sind beide Werte stabil kann mit der Kalibrierung begonnen werden. 2. Die Prüfmittel werden an mehreren, aber immer wieder denselben Punkten kalibriert (Bsp.: 11,3 %rf, 50,0 %rf und 75,3 %rf bei +25 C): In diesem Fall können Voreinstellungstasten am Huminator II programmiert werden, damit die Werte nicht jedes Mal eingegeben werden müssen. Kommt oben genannter Fall häufig vor können die Voreinstellungstasten wie folgt voreingestellt werden: V1: Feuchte: 11,3 %rf; Temperatur: +25 C V2: Feuchte: 50,0 %rf; Temperatur: +25 C V3: Feuchte: 75,3 %rf; Temperatur: +25 C Beim Auswählen der Voreinstellungstasten werden dann die jeweiligen Punkte eingeregelt, ohne die Werte jedes Mal komplett eingeben zu müssen. 3. Das Prüfmittel wird an vielen unterschiedlichen Feuchteund Temperaturpunkten kalibriert: Hierfür lässt sich direkt am Huminator II eine Abfolge von Temperatur- und Feuchtekombinationen programmieren. 79

80 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung Generell empfiehlt Testo Industrial Services, die Feuchtewerte immer von unten nach oben anzufahren. Starten Sie immer mit dem niedrigsten Feuchtepunkt und erhöhen Sie die Feuchtewerte bis zum höchsten Feuchtepunkt. Starten Sie dann wieder beim niedrigsten. Wenn Sie diese Vorgehensweise anwenden sparen Sie viel Zeit, da der Huminator nicht ständig befeuchten und trocknen muss Funktionsschema Huminator II Touch-Display (Eingabe Sollwerte, Anzeige Istwerte) Sollwerte/ Istwerte Kammer +%rf Befeuchter +/- C -%rf Feuchteregler Temperaturregler Peltierelement (Wärmetauscher) Trocknung (z. B. Silicagel) Testo 6681 Referenz-/Regelfühler (Temperatur + Feuchte) 80

81 4.5 Zwei-Temperatur-/Zwei-Druck- Generatoren Der Generator ist in einen Hochdruckteil (bis zu 8 bar) und einen Niederdruckteil (atmosphärischer Druck) untergliedert. Die komprimierte, trockene Luft strömt in den Befeuchter, in dem sie gesättigt wird. Überschüssiges Wasser in Form von mitgerissenen Tröpfchen wird im Sättiger ausgeschieden. Die komprimierte Luft wird nun auf Umgebungsdruck entspannt. Dabei sinkt die relative Feuchte ab, da sich die Wassermoleküle auf ein größeres Volumen verteilen (s. Berechnungsbeispiele unter Pkt Druckabhängigkeit von Feuchtekenngrößen ). Die gewünschte Feuchte lässt sich also über die Wahl des Druckverhältnisses genau einstellen. Sie ist gleich dem Druckverhältnis aus Niederdruck zu Hochdruck, wenn Sättiger und Messkammer auf exakt der gleichen Temperatur liegen. Das flexibelste Verfahren mit dem weitesten Messbereich ist das Zwei-Temperatur-/Zwei-Druck-Verfahren. Hier können neben den Drücken auch die Temperaturen in Sättiger und Messkammer unabhängig voneinander variiert werden, um auch bei von der Umgebung verschiedenen Temperaturen messen zu können. Dieses Verfahren wird von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt als Nationales Normal benutzt und wurde von Testo nachempfunden. 81

82 Möglichkeiten der Feuchtekalibrierung Funktionsprinzip: Thunder-Feuchtegenerator Ein Generator der nach dem Zwei-Temperatur-/Zwei-Druck- Verfahren arbeitet ist der Feuchtegenerator Thunder

83 Thunder 2500, technische Daten: Temperaturbereich: 0 C C Feuchtebereich: %rf Feuchte Messunsicherheit: ±0,3 %rf (10 %rf... < 40 %rf) ±0,6 %rf (40 %rf... < 80 %rf) ±0,7 %rf (80 %rf... < 95 %rf) Temperaturbereich: 0 C C Feuchtebereich: %rf Feuchte Messunsicherheit: ±0,3 %rf (10 %rf... < 40 %rf) ±0,5 %rf (40 %rf... < 80 %rf) ±0,6 %rf (80 %rf... < 95 %rf) Taupunkttemperatur: -25 Ctd Ctd Taupunkttemperatur MU: ±0,06 K (-25 Ctd... < -10 Ctd) ±0,09 K (-10 Ctd... < +40 Ctd) ±0,12 K (+40 Ctd Ctd) Thunder Testo-Feuchtegenerator In Zusammenarbeit mit der Uni Illmenau und der PTB wurde der hochpräzise Testo-Generator entwickelt. 83