Feuchte

Feuchte

 
Allgemeines

relative Feuchte (Einheit %)
Unter der relativen Feuchte versteht man das Verhältnis der tatsächlich enthaltenen Masse zur maximal möglichen Masse des Wasserdampfes in der Luft. Die relative Feuchte wird üblicherweise in Prozent angegeben.
Es gilt:
Formel 8

Anmerkung: Da die maximale Feuchte temperaturabhängig ist, ändert sich mit der Temperatur die relative Feuchte, auch wenn die absolute Feuchte konstant bleibt.


Grafik Feuchte  

absolute Feuchte (Einheit g/m3)
Unter absoluter Feuchte fabs versteht man die in einer bestimmten Menge Luft tatsächlich enthaltene Wasserdampfmenge. Die absolute Feuchte ist das Verhältnis des Gewichtes des in der Luft enthaltenen Wassers zum Rauminhalt dieser feuchten Luft.

Wasserdampfpartialdruck, Sättigungsdampfdruck (Einheit hPa)
Unter dem Sättigungsdampfdruck es(t) versteht man den maximal möglichen Druck des Wasserdampfes bei einer bestimmten Temperatur. In untenstehendem Diagramm ist der Sättigungsdampfdruck des Wassers in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Der Wasserdampfpartialdruck e(t) variiert zwischen 0 (trockene Luft) und 30 hPa. Die Obergrenze ist durch den Sättigungsdampfdruck bestimmt.

Grafik Feuchte

Sättigungsfeuchte, maximale Feuchte, Sättigungsmenge (Einheit g/m3)
Unter der maximalen Feuchte fmax 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.

Taupunkt (Einheit °C, °F, K)
Unter der Taupunkttemperatur ttp versteht man die Temperatur, bei der die Abkühlung feuchter Luft zur Kondensatbildung führt. Das heißt, bei einer Abkühlung feuchter Luft bis zum Taupunkt steigt die relative Feuchte auf 100 %.

Frostpunkt (Einheit °C, °F, K)
In manchen Abhandlungen spricht man bei Taupunkttemperaturen unter 0°C von der Frostpunkttemperatur. Andere Bezeichnungen sind auch Taupunkttemperatur über Eis bzw. Gefrierpunkt.

spezifische Enthalpie (Wärmeinhalt) (Einheit kJ/kg)
Unter spezifischer Enthalpie Espez 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.

Oder:

Unter spezifischer Enthalpie versteht man die Wärmemenge, die in der Luftmasse relativ zu einem bestimmten Luftzustand vorhanden ist. Die Enthalpie der ungesättigten Luft ist die Summe der Enthalpie, um den enthaltenen Wasseranteil zu verdampfen, zuzüglich der Enthalpie, um das Wasser- Dampfgemisch auf die entsprechende Temperatur zu erwärmen.

Mischungsverhältnis (Einheit g/kg)
Als Mischungsverhältnis m bezeichnet man das Verhältnis der Wasserdampfmasse zur Masse der trockenen Luft.

Feuchtkugeltemperatur (Einheit °C, °F, K)
Als Feuchtkugeltemperatur tF bezeichnet man bei der psychrometrischen Messung die von dem, mit einem Strumpf befeuchteten Thermometer ausgegebene bzw. angezeigte Temperatur. Aufgrund der Verdunstungskälte liegt diese Temperatur in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte unterhalb der Lufttemperatur.

Sensoren und Messprinzipien

mechanische Feuchtemessung
Das mechanische Verfahren beruht auf der Ausdehnung bzw. dem Zusammenziehen von verschiedenen (meist organischen) Messelementen. Solche Messelemente sind beispielsweise: Haare, Durometer, Darmsaiten, etc.

Die am meisten eingesetzten Messelemente sind Haarelemente oder der sog. Durotherm, ein künstliches, feuchteempfindliches Messelement. Über ein Werk wird dann die Längenänderung des Messelementes auf den Zeiger übertragen.

Haarhygrometer bedürfen einer regelmäßigen Wartung und Pflege. Zur Vermeidung des Austrocknens und damit einhergehender Drift müssen Haarhygrometer regelmäßig regeneriert werden. Hierzu wird die Haarharfe mit einem, mit destilliertem Wasser befeuchteten Tuch umhüllt oder mit destilliertem Wasser besprüht, so dass eine Sättigung eintritt. Nach etwa einer Stunde stellt sich ein Messwert von ca. 98 %rH ein. An den meisten Geräten kann über eine Stellschraube eine Einpunkt-Justage durchgeführt werden.

psychrometrische Feuchtemessung
Psychrometer arbeiten mit zwei identischen, sehr genauen Thermometern, an denen die zu messende Luft in definierter Geschwindigkeit entlanggeführt wird oder die Luft ruht.

Das erste Thermometer misst die Temperatur der Umgebung, das zweite die sog. Feuchtkugeltemperatur. Dazu ist die Messspitze des Thermometers mit einem Baumwolldocht überzogen und mit destilliertem Wasser befeuchtet. Beide Thermometer befinden sich in einem Luftstrom bzw. in ruhender Luft und sind vor Strahlungswärme abgeschirmt. Durch die Verdunstungskälte sinkt am feuchten Thermometer die Temperatur, und zwar umso stärker, je trockener die Luft ist. Nach kurzer Zeit (1 - 2 min) bleibt die Temperatur am feuchten Thermometer konstant und es können die Messwerte am feuchten und trockenen Thermometer abgelesen werden. Mit diesen beiden Temperaturen kann die relative Luftfeuchte nach folgender Formel bestimmt werden: Formel 9
wobei A die sog. Psychrometerkonstante ist. Diese hängt ab von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft und ist in untenstehender Tabelle dargestellt:
 
Ventilationsgeschwindigkeit 0,0 1,0 1,5 2,3 3,4 4,4 [m/s]
A: 106 in Grad-1 1.140 675 674 678 682 704

elektronische Feuchtemessung

kapazitives Verfahren
Der feuchteempfindliche Kondensator besteht aus zwei flachen Elektroden, zwischen denen sich eine elektrisch isolierende, hygroskopische Kunststoffschicht (Dielektrikum) befindet. Dieses Dielektrikum kann das in der Luft befindliche Wasser absorbieren. Mit steigender Luftfeuchte steigt auch die Kapazität des feuchteempflindlichen Kondensators.
Es gilt:
Formel 10
wobei εr die Dielektrizitätskonstante des feuchteempfindlichen Kondensators ist.

Tauspiegelhygrometer
Ein sehr präzises Messverfahren zur Ermittlung der relativen Luftfeuchte ist der sog. Taupunktspiegel, bei dem die Kondensation von Wasserdampf bei Taupunktunterschreitung ausgewertet wird. Die Temperatur einer verspiegelten Fläche (Spiegel) wird so weit abgekühlt, bis diese gerade anfängt zu beschlagen. Die in diesem Moment über ein Pt100-Widerstandsthermometer gemessene Temperatur entspricht der Taupunkttemperatur, aus der sich über den Sättigungsdruck mit Hilfe der gemessenen Lufttemperatur die relative Luftfeuchte berechnen lässt. Zur Kühlung wird ein Peltierelement eingesetzt, und die verspiegelte Fläche wird über optoelektronische Verfahren ausgewertet (siehe Skizze):

Grafik Feuchte
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.

Gegenüberstellung der verschiedenen Verfahren
Verfahren Vorteile Nachteile
mechanische Feuchtemessung
  • einfache Handhabung
  • preiswert
  • lange Ansprechzeiten
  • hoher Wartungsaufwand duch regelmäßige Regeneration, Austausch der Diagrammblätter, etc.
  • eingeschränkter Messbereich
  • Drift
psychrometrische Feuchtemessung
  • hohe Messgenauigkeit
  • hohe Langzeitstabilität
  • hohe Zuverlässigkeit
  • Sicherstellen der ständigen Strumpfbefeuchtung
  • Ablesefehler
kapazitives Verfahren
  • hohe Messgenauigkeit
  • einfache Handhabung
  • wartungsfrei
  • kurze Ansprechzeiten
  • gutes Preis-Leistungsverhältnis
  • Temperaturkompensation des Sensors notwendig
Tauspiegelhygrometer
  • sehr hohe Messgenauigkeit
  • hohe Zuverlässigkeit
  • hohe Langzeitstabilität
  • kurze Ansprechzeiten
  • teuer
  • Wartungsaufwand durch regelmäßiges Spiegelreinigen

sonstige Feuchtemessverfahren
Hier eine Auflistung weiterer Feuchtemessverfahren (eingehendere Betrachtungen werden hier nicht durchgeführt):
 
  • resistives Verfahren (Bestimmung der Impedanz des Wechselstromwiderstandes eines hygroskopischen Elementes)
  • Lithiumchlorid-Taupunkthygrometer (Messverfahren, das auf der hygroskopischen Eigenschaft des Lithiumchlorid beruht)