Klimamessung

Thermoelemente (Thermopaare) bestehen aus zwei punktuell miteinander verschweißten Drähten aus unterschiedlichen Metallen bzw. Legierungen. Die Temperaturmessung mit Thermoelementen beruht auf dem thermoelektrischen Effekt. Wird ein elektrischer Leiter (Draht) in ein Temperaturgefälle gebracht, erzeugt er zwischen beiden Enden des Drahts eine Spannung. Ein zweiter Leiter aus einem anderen Metall erzeugt eine andere Spannung. Durch das Verschweißen der Drahtenden wird die Spannung an der Sensorspitze auf Null reduziert. Zwischen den beiden losen Enden ergibt sich jedoch eine Spannung, aus der sich der Temperaturunterschied zwischen der Sensorspitze und den losen Enden ableiten lässt (Wikipedia).

Das Thermoelement misst demnach nur Temperaturunterschiede. Um zu absoluten Werten zu gelangen, ist im Messgerät ein Thermistor eingebaut, auf Basis dessen sich die absolute Temperatur am Thermoelement berechnen lässt.

Je nachdem, um welche Metallpaare es sich handelt, werden verschiedene Sensortypen unterschieden. Für Temperaturen im Normalbereich (-70 bis +100°C) wird allgemein Typ T (Kupfer/Konstantan) empfohlen. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kupfers eignet sich der Sensor weniger für Oberflächenmessungen (die Wärme wird zu schnell von der Oberfläche abgeführt). Hier ist der Typ K (Chromel/Alumel) besser geeignet, der im übrigen für Temperaturen von bis zu 1200°C eingesetzt werden kann.

Thermoelemente können sehr klein und auch im Selbstbau hergestellt werden, so klein eben zwei Drähte aneinandergeschweißt werden können Ein weiterer Vorteil ist ihre Unempfindlichkeit gegenüber Interferenzströmen auch über größere Kabelentfernungen hinweg (Padfield online).

Thermoelemente sind meist preisgünstiger als andere Temperaturfühler. Sie werden für sehr hohe oder sehr niedrige Temperaturen eingesetzt, oder wenn die Fühler sehr klein sein müssen. Die Genauigkeit lässt sich durch Kalibrierung erhöhen.

Bilder aus: Desco, Wikipedia

Überwachungszwecken dienen irreversible Indikatorstreifen Bei Überschreiten der aufgedruckten Luftfeuchtigkeit über längere Zeit (24 h) läuft der betreffende Farbpunkt aus, wie auf der Abbildung die Punkte 50% und 60% rF.

Die Farbpunkte bestehen aus hygroskopischen Salzen, die sich ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit verflüssigen.

In der historischen Entwicklung wurden für die Messung der rF das Ausdehnungsverhalten verschiedenster Materialien (Papier, Hanfseile, Elfenbein....) sowie die Gewichtsmessung von Baumwollproben herangezogen (Schaible 1994, Guichen 1984). Heutzutage besitzen von diesen Verfahren nur noch die Haarhygrometer mit Menschen-, Pferde- oder Kunsthaaren praktische Bedeutung. In Museen werden diese häufig in Thermohygrographen eingesetzt.

Für Mini -Thermohygrometer wie rechts wird zur Feuchtemessung - ähnlich dem Bimetallstreifen - ein zusammengerolltes Kupfer/Kunststoffelement verwendet, das sich bei Veränderungen der relativen Luftfeuchtigkeit ausdehnt oder zusammenzieht.

Bilder aus Lufft, CSS

Haarhygrometer sind anfällig gegen Staub und Ablagerungen, können jedoch in Wasser gereinigt werden und sind unempfindlich gegen Betauung. Naturhaarmesselemente sind im frisch justierten Zustand zwar etwas genauer als Kunsthaar, jedoch müssen Naturhaare monatlich in gesättigter Luft oder durch Bepinseln mit destilliertem Wasser regeneriert werden, was relativ zeitaufwendig ist und daher oft unterbleibt. In der Museumspraxis sind daher unbedingt die wartungsärmeren Kunstfaser-Messelemente vorzuziehen. Die Hersteller geben für Naturhaar - Elemente eine Genauigkeit von ±2% rF, für Durotherm-Kunstfaserelemente ±3% rF an. Die beim Dauereinsatz erreichbare Genauigkeit liegt meist deutlich unter den Genauigkeitsangaben der Hersteller.

Die Längenänderung von Haarmesselementen beträgt insgesamt nur etwa 2,5% (0% - 100% rF) und ist nicht linear, wobei sich Kunstfasermesselemente in ihrem Dehnverhalten stark von Naturhaarmesselementen unterscheiden. Bei schreibenden Hygrographen ist es ist daher wichtig, immer das zum Messelement passende Diagrammblatt zu verwenden.

Die Messgenauigkeit und die Temperaturabhängigkeit sind bei Messungen in trockener Luft schlechter. Hygrometrische Messgeräte sollten daher in der Regel nur für Messungen in feuchter Atmosphäre (30 - 95% rF) verwendet werden. Die erreichbare Genauigkeit liegt in diesem Feuchtebereich bei etwa ± 5% rF und wird durch die Reproduzierbarkeit, den Linearitätsfehler und die Hysterese bestimmt. Um eine gute Langzeitstabilität zu erhalten, müssen die Messelemente künstlich gealtert werden. Das Ansprechverhalten ist sehr träge und liegt bei etwa 10 Minuten für eine Änderung von 90%. Für schnelle Messungen sind solche Hygrometer daher nicht geeignet.

Mit qualitativ hochwertigen Haarhygrometern und Thermohygrographen lassen sich durchaus gute Messergebnisse erzielen. Genaue Messungen erfordern jedoch regelmäßiges Justieren bzw. Regenerieren und damit einen hohen Zeitaufwand. Elektronische Messgeräte und Messsysteme haben die Haarhygrometer daher bereits weitgehend verdrängt.

Der konstante Luftstrom wird beim "Assmann"-Psychrometer (links) durch einen Ventilator mit Aufziehmechanismus erzeugt, bei elektronischen Geräten durch einen kleinen elektrischen Ventilator.

Bei der einfachsten Ausführung, dem Schleuderpsychrometer (rechts) wird der Luftstrom durch freies Umherschwingen des Geräts erzeugt. Einige Übung ist erforderlich, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.

Bei korrektem Einsatz wird die Genauigkeit praktisch nur durch die Messgenauigkeit der Thermometer bestimmt. Aufgrund des Messverfahrens eignen sich Psychrometer vor allem für Messungen in trockener Atmosphäre, wo die höchste Genauigkeit von ± 0,5% erreicht wird. Bei 85% rF wird noch eine Genauigkeit von ± 2% erreicht, über 90% rF sollten Psychrometer nicht mehr eingesetzt werden. In größeren Höhen von 1000 - 2000 m müssen die Werte um 2 -3% rF korrigiert werden. Genaue Korrekturwerte sind den Psychrometertafeln zu entnehmen.

Assmann-Psychrometer sind in der Meteorologie noch immer ein gängiges Referenz- und Kontrollverfahren. Sie sind unempfindlich gegen Staub und Ablagerungen. Im Museum eignen sie sich sehr gut zum Nachjustieren von Thermohygrographen und für schnelle Messungen in Räumen. Für Messungen in Vitrinen sind sie jedoch ungeeignet, da sie durch das verdunstende Wasser die Luftfeuchtigkeit beeinflussen.

Auf dem befeuchteten Docht können sich im Lauf der Zeit Mikroorganismen entwickeln. Psychrometer sind daher nicht wartungsfrei, der Docht muss von Zeit zu Zeit erneuert werden. Weitere Fehler können entstehen, wenn der Docht nicht eng am Thermometer anliegt, verschmutzt ist oder ungenügend befeuchtet ist. Bei elektronischen Geräten können sich Fehler in der Elektronik hinzuaddieren, sodass in der Praxis durchaus Messfehler von 5 - 7% vorkommen können.

Betrachten wir ausschließlich die Temperatur des feuchten Thermometers (Feuchtkugeltemperatur), so ergibt sich bei verschiedenen Temperatur/rF-Kombinationen die gleiche Feuchtkugeltemperatur: So ergibt sich eine Feuchtkugeltemperatur von 10°C z.B. sowohl bei 20°C und 23% rF als auch bei 15°C Raumtemperatur und 52% rF sowie bei einer Vielzahl weiterer Wertekombinationen, die auf der Verbindungslinie dieser zwei Werte liegen (auf der Psychrometertafel). Dies ist für den Betrieb von Klimaanlagen insofern von Interesse, dass Luft näherungsweise entlang dieser Verbindungslinien ohne Energiezufuhr von einem Zustand in einen anderen überführt werden kann. Gehen wir einmal von einer Luftmasse bei 20°C und 23% rF aus und lassen darin ohne Energiezufuhr von außen Wasser verdampfen, so nimmt die rF zu und gleichzeitig, aufgrund der Verdunstungskälte, die Temperatur ab. Die Zustände, die im Laufe des Verdampfungsprozesses erreicht werden, befinden sich alle näherungsweise auf der Linie konstanter Feuchtkugeltemperatur: bei 52% rF würde demnach beispielsweise eine Temperatur von 10°C erreicht. Diese so genannten adibatischen Zustandsänderungen sind in der Klimatechnik sehr geschätzt, da sie keine Energie verbrauchen.

Heutzutage sind hochwertige kalibrierbare, kapazitive Messgeräte für die Museumspraxis geeigneter als Psychrometer.

Im Prinzip handelt es sich um einen Plattenkondensator, in dem sich eine dünne Kunststoff-Polymerschicht als elektrisches Dielektrikum befindet. Die untere Platte ist auf einem kleinen Glas- oder Keramiksubstrat als Trägermaterial aufgedampft. Auf diese untere Platte wird der Polymerfilm in Dünnschichttechnik aufgebracht. Die obere Kondensatorelektrode ist als dünner, dampfdurchlässiger Goldfilm aufgedampft (Hygrotech). Die Polymerschicht ist hygroskopisch und kann Wassermoleküle einlagern.

Wasser hat eine hohe Dielektritätskonstante, d.h. je mehr Wasser eingelagert ist, desto mehr elektrische Ladung kann gespeichert werden. Zur Messung der elektrischen Kapazität (Fähigkeit, Ladung zu speichern) wird ein Hochfrequenz-Wechselstrom angelegt und die Stromstärke gemessen. Die Polymerschicht (bisweilen wird auch anorganisches Material wie Aluminiumoxyd verwendet) spielt nur eine indirekte Rolle bei der Messung: letztendlich wird die Menge der Wassermoleküle gemessen. Typische Abmessungen sind: 7 x 4 x 0,5 mm.

In den letzten Jahren werden zunehmend kapazitive Feuchtesensoren in Messgeräten eingesetzt, die eine hohe Messgenauigkeit ermöglichen und wartungsfrei sind. Frühere Geräte waren empfindlich gegenüber Schadgasen oder wenn der Sensor mit flüssigem Wasser in Berührung kam; diese Probleme sind jedoch bei den heutigen Entwicklungen nicht mehr gegeben.

Während kapazitive Sensoren für Hand-Messgeräte sehr gut geeignet sind, haben sie beim Einsatz zur Raumüberwachung einen schwerwiegenden Nachteil: Der Kapazitätsunterschied des Sensors ist vergleichsweise klein gegenüber der Kapazität schon einiger weniger Meter Kabel. Dies bedeutet, dass die elektronische Auswertung nahe beim Sensor erfolgen muss. Sollen mehrere kapazitive Sensoren an einen Datenlogger angeschlossen werden, benötigt jeder Sensor seine eigene (klobige) Elektronik mit spezieller Stromzufuhr. Dies beinhaltet Extrakosten und ärgerlichen Mehraufwand, vor allem angesichts der Tatsache, dass manche Datenlogger im Prinzip mehrere Sensoren selbst auswerten könnten (Padfield).

Kapazitive Sensoren unterscheiden sich in:

• Genauigkeit: von gewöhnlich ± 2 - 3% rF bis zu ± 0,5% rF mit Kalibrierzertifikat bei hochpräzisen Referenzfühlern (Rotronic, Testo).
• Langzeitstabilität: sie sollte möglichst <1% rF / Jahr betragen, gute Werte liegen bei ±1% in 5 Jahren (z.B. Krah & Grote).
• Unempfindlichkeit gegen Betauung: Sensoren für den Museumsgebrauch sollten gegen Kondenswasser unempfindlich sein. Ist auf dem Datenblatt nur ein Messbereich von 0 - 99% rF angegeben,  ist der Sensor betauungsempfindlich und vermutlich von geringerer Qualität! Solche Sensoren können allenfalls durch Fühlerkappen aus Sintermetall, Teflon oder PE geschützt werden. Feucht gewordene Sinter-Fühlerkappen benötigen viel Zeit zum Trocknen.
• Empfindlichkeit gegen Chemikaliendämpfe und Rauch: Hochwertige Sensoren sind hiergegen weitgehend immun. Eine gewisse Empfindlichkeit gegen Stäube ist immer gegeben. Zum Schutz bieten die Hersteller Fühlerkappen mit verschiedenen Porengrößen zur Verfügung (z.B. Rotronic, Testo).
• Größe: Je kleiner sie sind, desto näher können sie an die zu messende Oberfläche gebracht werden. Miniatur-Kombinationsfühler für rF und Temperatur messen z.B. 12 x 35 mm (Krah & Grote) oder 6 x 23 mm (msr).

Resistive (elektrolytische) Sensoren bestehen aus einer dünnen Schicht eines hygroskopischen Polymers, auf das zwei ineinander greifende Kämme aus leitendem Material (Metall, Kohle) aufgedruckt sind. Gemessen wird der elektrische Widerstand, der sich mit dem Wassergehalt des Polymers verändert. Witzigerweise braucht auch dieser Sensor Wechselstrom, und zwar um zu verhindern, dass durch elektrolytische Ionenwanderung das Messelement beschädigt wird. Es wird zunächst ein kurzer Spannungsimpuls gesendet und erst nach einer Pause erfolgt der umgekehrte Spannungsimpuls (z.B. Campbell Datenlogger).

Gemessen wird, wie viel Strom bei jedem Spannungsimpuls fließt. Nicht alle Datenlogger können solchen unterbrochenen Wechselstrom liefern.

Resistive Sensoren sind ein wenig aus der Mode gekommen, werden aber durchaus noch verwendet, vor allem im Hochfeuchtebereich (z.B. Novasina). In puncto Genauigkeit sind sie kapazitiven Sensoren vergleichbar und werden nicht von Hysterese beeinflusst.

Auch zur Klimaüberwachung in Depots, wo Änderungen normalerweise sehr langsam vor sich gehen, sind diese Sensoren geeignet. Sind sie niedrig genug angebracht, lassen sie sich auch als Überflutungswächter einsetzen.

Sie lassen sich, wenn es nicht auf Ansprechschnelligkeit ankommt, sogar selbst bauen (Padfield): z.B. indem man ein (wachsfreies) Streichholz auf beiden Seiten mit Silberbronze beschichtet. In der verbesserten Version wird das Holz in anderer Faserrichtung verwendet. Ein anderes Beispiel ist ein kleines Holzstück mit zwei im Abstand von 3 mm parallel eingesetzten Edelstahlnägeln . Diese Sensoren erreichen erst nach vielen Stunden ihren Gleichgewichtszustand, was aber bei der Messung von Mauerfeuchtigkeit nicht unbedingt eine Rolle spielt.