Wie funktioniert ein Hygrometer?

Ein Hygrometer ist ein Messinstrument, welches die Luftfeuchtigkeit in Räumen oder auch Böden bestimmen kann. Des Weiteren lässt sich aus der Luftfeuchtigkeit mit Hilfe der Lufttemperatur der Wasserdampfgehalt der Luft bestimmen. Das Wort Hygrometer kommt aus dem altgriechischen und setzt sich aus den Begriffen feucht/nass und Maß/Maßstab zusammen. Doch was ist ein Hygrometer genau und wie funktioniert es? Es gibt verschiedene Hygrometer, deren Messmethoden unterschiedlich sind. Hier sind einmal die gängigsten aufgeführt:

Absorptionshygrometer

Die Funktionsweise dieses Hygrometers basiert auf wasseranziehendem also hygroskopischem Material. Durch die Luftfeuchtigkeit ändert das Material seine Beschaffenheit was auf einem Anzeigegerät festgehalten wird. Diese Änderungen können beispielsweise Ausdehnung oder Gewichtsveränderungen sein. Generell unterscheidet man dabei analoge und elektronische Messgeräte. Analoge Absorptionshygrometer arbeiten mit einer mechanischen Übersetzung von Material zu Anzeige. Ein Beispiel für ein analoges Absorptionshygrometer ist das Haarhygrometer. In das Gehäuse dieses Hygrometers wird ein menschliches oder synthetisches Haar eingespannt. Erhöht sich nun die Luftfeuchtigkeit im Raum, dehnt sich das Haar aus. Diese Längendifferenz gibt dann an, wie feucht es ist. Zu beachten ist hier, dass das Gerät regelmäßig justiert werden muss, damit die Genauigkeit der Messung nicht beeinträchtigt wird. Zudem ist es von Vorteil, wenn ein gut präpariertes blondes Frauenhaar genutzt wird um optimale Sensorfähigkeiten ausnutzen zu können. Eine weitere Art des Absorptionshygrometers ist die digitale Version. Hierbei messen bestimmte Sensoren die Luftfeuchtigkeit. Dieses Messgerät nutzt demnach keine mechanischen Veränderungen, sondern basiert auf der Änderung von elektrischen Eigenschaften. Ausführlichere Details zu digitalen Hygrometern finden Sie hier. Absorptionshygrometer zählen übrigens zu den genauesten Hygrometern.

Spiralhygrometer

In Spiralhygrometern wird ebenfalls das Prinzip der Ausdehnung von Stoffen angewandt. Statt einem Haar wird hier mit Kunststoff beschichtetes aufgerolltes Metall in das Gehäuse eingebaut. Auch dieses Material dehnt sich bei Erhöhung der Feuchtigkeit aus und somit kann die relative Feuchtigkeit bestimmt werden. Im Vergleich zu den oben genannten Absorptionshygrometern sind Spiralhygrometer meistens ungenauer, dafür aber oft günstiger in der Anschaffung.

Psychrometer

Das Psychrometer macht sich die Temperatur zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit zunutze. Es ist ein aus zwei Thermometern bestehendes Hygrometer: Einem Trocken- und einem Feuchtthermometer. Das Feuchtthermometer wird, wie der Name schon verrät, mit einem feuchten Material bedeckt. Wenn die Luft trocken ist, verdunstet das Wasser des feuchten Materials und Verdunstungskälte entsteht. Die so zwischen den beiden Thermometern entstandene Temperaturdifferenz gibt an, wie viel relative Luftfeuchtigkeit vorherrscht. Dabei gilt: je geringer die Temperaturdifferenz, desto feuchter ist es. Die relative Luftfeuchtigkeit erhält man mittels der Psychrometerformel beziehungsweise speziellen Psychrometertabellen. In die Psychrometerformel geht zum einen der Sättigungsdampfdruck und zum anderen der tatsächliche Dampfdruck ein. Um exakt Messen zu können ist zudem eine ausreichende Luftumströmung des Feuchtthermometers wichtig.

Chemisches Hygrometer

Chemische Hygrometer funktionieren auf Grundlage der chemischen Eigenschaften von Materialien, die diese verändern, wenn sie mit Wasser reagieren. Dies wird zum Beispiel auf Teststreifen sichtbar, die dann ihre Farbe entsprechend verändern, wenn eine Reaktion stattfindet. Ein Beispiel für einen solchen Test ist die Verwendung des Feuchtigkeitsindikators Kobalt-(II)-chlorid und des Trocknungsmittels Kieselgel. Man versetzt das Kieselgel mit dem Wasserindikator und unterscheidet dabei zwei Zustände farblich: blau = getrocknet und hellrosa = feucht. Zeigt der Test die hellrosa Farbe an, ist durch die hygroskopische Charakteristik des Kieselgels ein Hexaaqua-Komplex entstanden.

Taupunktspiegelhygrometer

Die Funktionsweise dieses Hygrometers basiert auf dem Taupunkt. Der Taupunkt ist die Temperatur, die bei gleichbleibendem Druck unterschritten werden muss, so dass sich Tau aus feuchter Luft absondern kann. Genauer bedeutet das, dass die relative Luftfeuchtigkeit am Taupunkt 100% beträgt, also eine Wasserdampfsättigung in der Luft vorliegt. Zur Durchführung dieser besonders genauen Messtechnik benötigt man einen temperierbaren Spiegel, eine Lichtquelle sowie einen Photosensor. Aber wie genau funktioniert nun ein Taupunktspiegelhygrometer? Je mehr Wasserdampf in der Luft enthalten ist, desto höher liegt die Taupunkttemperatur. Sinkt die Temperatur, beschlägt die Spiegeloberfläche, beziehungsweise die Reflexivität des Spiegels reduziert sich. Die Abkühlung des Spiegels geschieht thermoelektrisch. Um exakt den Moment der Kondensation zu messen, nutzt man die Lichtquelle und den Photosensor. Aus der Taupunkttemperatur und dem Druck zum Messzeitpunkt ergibt sich die absolute Feuchte. Zusätzlich ist es möglich mittels der Temperatur der Probe zum Zeitpunkt der Messung die relative Feuchtigkeit zu bestimmten. Misst man mit diesem Hygrometer geringe Feuchtegehalte beziehungsweise niedrige Taupunkttemperaturen kann die Messung durchaus mehr Zeit in Anspruch nehmen. In diesem Fall spricht man von Spurenfeuchte. Die lange Messzeit ist darauf zurückzuführen, dass nur sehr wenige Wassermoleküle in der Luft enthalten sind und es deshalb länger dauert bis sich genügend davon abgelagert haben. Im Gegensatz dazu braucht die Messung bei hohen Taupunkttemperaturen nur einige Sekunden. Im Prinzip kann man auch andere Taupunkte als den des Wassers zur Messung verwenden. So kann es gegebenenfalls wichtig sein den Kohlenwasserstoff-Taupunkt von Lösemitteln zu bestimmen. Im Großen und Ganzen ist dennoch die Messung mit dem Taupunkt von Wasser die am häufigsten Genutzte.

Coulometrisches Hygrometer

Dieses Hygrometer arbeitet mit einem Feuchtesensor, der die Luftfeuchtigkeit in Spurenfeuchte misst. Das Messgerät macht sich die Eigenschaft von Diphosphorpentoxid zu Nutze, Wasserdampf aus der Luft zu absorbieren. Diphosphorpentoxid eignet sich aufgrund seines stark hygroskopischen Charakters gut als Trockenmittel um Restfeuchte zu binden. Dabei wird Wasser elektrochemisch an der Phosphoroxid-Schicht zerlegt. Wird nun ein Gasstrom, zum Beispiel Luft, mit etwas Spurenfeuchte an dieser Schicht vorbeigeführt, wird der enthaltene Wasserdampf absorbiert. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die Diphosphorpentoxid-Schicht zersetzt sich die Phosphorverbindung und es kommt zu einem der umgesetzten Menge an Wasserdampf äquivalenten Stromfluss. Diese Beziehung ergibt sich aus dem Faradayschen Gesetz, welches Aussagen über den Zusammenhang zwischen elektrischer Ladung und Stoffumsatz bei elektrochemischen Reaktionen macht. Somit kann auch bei unvollständiger elektrochemischer Zerlegung des Wasserdampfes die Restfeuchte in Gasen ermittelt werden. Die erhaltene Messgröße ist Strom, der direkt von der umgesetzten Wassermenge abhängt und mit einem Amperemeter festgestellt wird. Für die Messung ist es generell wichtig für konstante Strömungsgeschwindigkeit des Gases und gleichbleibendes Gasvolumen zu sorgen um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen. Dieses Messverfahren hat die großen Vorteile, dass es sehr robust ist, der Sensor leicht eingebaut werden kann und sich sogar Gase mit aggressiven Komponenten, wie beispielsweise Salzsäure, messen lassen.

Optisches Hygrometer

Dieses Hygrometer bedient sich zur Messung der Luftfeuchte der Optik. Es ist möglich die Luftfeuchte mittels der Messung der Absorption von Licht mit einer, für Wasserdampf charakteristischen, Wellenlänge zu messen. Hier wird feuchtes Gas durch eine Messzelle geleitet. Auf der einen Seite dieser Messzelle wird eine genau definierte Wellenlänge eingestrahlt und auf der anderen Seite die Intensitätsabnahme des Lichts gemessen. Es wird diejenige Wellenlänge gewählt, welche in der Lage ist anwesende Wassermoleküle durch die Lichtenergie zu Schwingungen anzuregen wodurch Lichtenergie absorbiert wird. Das Ergebnis ist dann das Verhältnis der Intensität von eingestrahltem zu austretendem Licht. Dieser Wert ist wiederrum ein Maß für die Konzentration an Wassermolekülen in der Messzelle und somit kann die absolute Feuchte festgestellt werden. Als Lichtquelle dienen bevorzugt Laser oder Laserdioden. Nachdem nun die Frage „Was ist ein Hygrometer“ geklärt wurde, soll im Folgenden noch auf ein spezielles Verfahren eingegangen werden.

Eine Besonderheit: Verfahren zur Messung von Bodenfeuchte

Um Bodenfeuchte bestimmt zu können, nutzt man besondere Verfahren. Meist sind in Böden verschiedene Salze enthalten, die herkömmliche Messverfahren beeinträchtigen können und auch korrosiv auf die Sensoren wirken. Falls Sie an der Messung der Bodenfeuchte interessiert sind, sind kapazitive Feuchtigkeitsmesser das richtige Stichwort. Mithilfe dieses Sensors kann die Feuchtigkeit in Böden bestimmt werden, ganz gleich, welche Mineralien gerade in diesem vorhanden sind. In der Landwirtschaft werden solche Geräte vereinzelt eingesetzt. Das Hygrometer macht sich die sehr große Differenz der Dielektrizitätszahlen von Erde und Wasser zunutze, indem es die Kapazität zweier Metallplatten misst.

Aufgrund der Tatsache, dass sich die Kapazität mit ändernder Dielektrizitätszahl ebenfalls ändert, lässt sich hier auf den Wassergehalt des Bodens schließen. Zu beachten ist hier allerdings, dass das Hygrometer regelmäßig kalibriert werden muss, da der Sensor relativ empfindlich ist gegenüber dem schwankenden Mineralien- oder Salzgehalt im Boden und die Messungen somit verfälscht sein können. Außerdem sollte die Kalibrierung regelmäßig durchgeführt werden, da sich Bodeneigenschaften mit der Zeit verändern können. Übrigens: Digitale Hygrometer sind ebenfalls mit einem kapazitiven Sensor ausgestattet. Hier läuft die Feuchtigkeitsmessung nach einem ähnlichen Prinzip ab. Neben kapazitiven Feuchtigkeitsmessern können noch weitere Sensoren zur Messung der Bodenfeuchte eingesetzt werden.

Sogenannte Tensiometer arbeiten mit einer porösen Keramikschicht, die luftdicht an ein mit Wasser gefülltes Rohr angebracht ist. Wird dieser Aufbau in den Boden eingebracht, wird Wasser aus der Zelle gesaugt und ein Unterdruck entsteht. Den Wassergehalt des Bodens kann man nun bestimmen, da der gemessene Unterdruck mit ihm in direkter Relation steht.

Des Weiteren gibt es Time Domain Transmission Sensoren, die mittels elektrischer Felder die Feuchtigkeit des Bodens feststellen. Hierzu sendet man einen elektrischen Impuls durch eine Leitung, die sich im Sensor befindet. Es bildet sich ein elektrisches Feld, das Aussagen über die Bodenfeuchtigkeit zulässt.

Bei der thermischen Bestimmung wird ein hygroskopisches festes Material, zum Beispiel Ton, in den Boden gesetzt. Wird nun einige Zeit gewartet, gleicht sich der Feuchtegehalt des Messkörpers an den des Bodens an. Um den Feuchtewert zu erhalten wird der Messkörper mittels eines Glühdrahts um eine definierte Gradzahl erhitzt und die Zeitdauer dafür gemessen. Die festgestellte Zeitdauer steht in direkter Relation zum Feuchtegehalt des Messkörpers und damit zum Bodenwassergehalt.

Fazit:

Es gibt viele verschiedene Hygrometer, die mit unterschiedlichen Messmethoden arbeiten und je ihre Vor- und Nachteile haben. Welches Hygrometer man sich letztendlich besorgt, hängt sehr stark vom jeweiligen Einsatzbereich, in dem sie ein Gerät brauchen, ab. Da nun geklärt wurde: Was ist ein Hygrometer überhaupt und wie funktioniert es, sind Sie gerne eingeladen sich noch einmal einen Überblick zu verschaffen und ganz einfach mal auf unsere Hygrometer Vergleichstabelle zu schauen.