Feuchtesensor mit Salzlösung oder Feuchtekammer kalibrieren: Gleichgewicht und Temperatur beachten

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Ein Feuchtesensor wird in eine Referenzkammer eingesetzt und zeigt nach wenigen Minuten 72 % rF statt der erwarteten 75 % rF. Die naheliegende Schlussfolgerung lautet: Der Sensor driftet um 3 % rF. Nach weiteren 20 Minuten steigt die Anzeige jedoch auf 74,8 % rF. In einem anderen Fall stimmen Sensor und Referenz bei 30 % rF gut überein, weichen bei 90 % rF aber plötzlich um mehrere Prozent voneinander ab.

Solche Beobachtungen bedeuten nicht automatisch, dass der Feuchtesensor fehlerhaft ist. Bei der Feuchtekalibrierung gehören Temperaturgleichgewicht, Stabilisierungszeit, Luftströmung, Referenzwert und Positionierung der Sonden unmittelbar zur Messung.

Besonders die relative Feuchte reagiert empfindlich auf Temperaturunterschiede. Sensor, Referenz und Prüfluft müssen deshalb möglichst dieselbe Temperatur besitzen. Schon kleine Temperaturgradienten zwischen Prüfling und Umgebung können eine Abweichung verursachen, die leicht als Sensordrift fehlinterpretiert wird.

Für Vergleichsprüfungen stehen grundsätzlich zwei sehr praxisnahe Verfahren zur Verfügung: gesättigte Salzlösungen mit definierten Feuchte-Fixpunkten und geregelte Feuchtegeneratoren beziehungsweise Feuchtekammern. Beide Verfahren können zuverlässige Ergebnisse liefern, unterscheiden sich aber deutlich hinsichtlich Flexibilität, Stabilisierungszeit, Aufwand und erreichbarer Messunsicherheit.

Geeignete Kalibriergeräte finden Sie bei ICS Schneider unter Feuchtkalibratoren. Eine Übersicht geeigneter Messgeräte und Sensoren finden Sie unter Feuchtemessgeräte und Feuchtesensoren.

Was wird bei einer Feuchtekalibrierung eigentlich geprüft?

Bei einer Kalibrierung wird der angezeigte beziehungsweise ausgegebene Messwert eines Feuchtesensors mit einem bekannten Referenzwert verglichen.

Der grundlegende Zusammenhang lautet:

Messabweichung = Messwert Prüfling − Referenzwert

Zeigt der Prüfling beispielsweise 74,1 % rF und beträgt der Referenzwert 75,0 % rF, ergibt sich:

Abweichung = 74,1 % rF − 75,0 % rF = −0,9 % rF

Dieser Wert ist jedoch erst aussagekräftig, wenn sichergestellt ist, dass:

• der Referenzwert korrekt ist,
• Sensor und Referenz dieselben klimatischen Bedingungen sehen,
• Temperaturgleichgewicht besteht,
• die Feuchte stabil ist,
• keine Kondensation vorliegt,
• die Messkammer ausreichend homogen ist.

Eine Feuchtekalibrierung ist deshalb wesentlich mehr als das Einlegen eines Sensors in eine Box und das Ablesen zweier Zahlen.

Warum relative Feuchte so temperaturabhängig ist

Die relative Feuchte beschreibt vereinfacht das Verhältnis zwischen dem tatsächlich vorhandenen Wasserdampfpartialdruck und dem Sättigungsdampfdruck bei der jeweiligen Temperatur:

rF = pWasser / pSättigung(T) · 100 %

Der Sättigungsdampfdruck von Wasser verändert sich stark mit der Temperatur.

Das bedeutet:

Bei identischer absoluter Wasserdampfmenge kann sich die relative Feuchte allein durch eine Temperaturänderung verändern.

Genau deshalb ist ein Temperaturunterschied zwischen Referenz und Prüfling bei einer Feuchtekalibrierung problematisch.

Ein Sensor, der geringfügig kälter als die umgebende Luft ist, kann eine höhere relative Feuchte erfassen. Ist er etwas wärmer, kann der angezeigte Wert niedriger ausfallen.

Dieser Effekt wird mit steigender relativer Feuchte besonders kritisch.

Bei einer sorgfältigen Kalibrierung muss deshalb nicht nur gefragt werden:

„Ist die Feuchte stabil?“

sondern auch:

„Sind Prüfling, Referenz und Umgebung wirklich auf derselben Temperatur?“

Wie gesättigte Salzlösungen Feuchte-Fixpunkte erzeugen

Bestimmte gesättigte Salzlösungen stellen in einem geschlossenen Raum über der Lösung einen charakteristischen Wasserdampfpartialdruck ein.

Dadurch entsteht bei einer definierten Temperatur eine reproduzierbare relative Feuchte.

Das Verfahren ist attraktiv, weil für unterschiedliche Feuchtebereiche unterschiedliche Salze verwendet werden können.

Typischer Aufbau:

gesättigte Salzlösung → geschlossene Salzkammer → definierter Dampfraum → Feuchtesensor

Nach ausreichender Zeit stellt sich zwischen Salzlösung und Wasserdampf im geschlossenen Volumen ein Gleichgewicht ein.

Der Sensor kann dann gegen diesen Feuchtepunkt geprüft werden.

Vorteile des Verfahrens sind:

• vergleichsweise einfacher Aufbau,
• keine aktive Feuchteregelung notwendig,
• geeignet für Zwischenprüfungen und Kontrollmessungen,
• mehrere definierte Feuchtebereiche durch unterschiedliche Salze möglich.

Der Nachteil:

Der Anwender kann den Feuchtewert nicht frei einstellen.

Jede Salzlösung erzeugt abhängig von der Temperatur einen bestimmten Gleichgewichtswert.

Typische Salzlösungen und Feuchtebereiche

Für Feuchteprüfungen werden häufig mehrere Salzsysteme verwendet.

Salz	Typischer Feuchtebereich bei Raumtemperatur	Typischer Einsatz
Lithiumchlorid – LiCl	ca. 11 % rF	Trockener Referenzpunkt
Magnesiumchlorid – MgCl2	ca. 33 % rF	Niedriger bis mittlerer Feuchtepunkt
Natriumchlorid – NaCl	ca. 75 % rF	Sehr häufig verwendeter oberer Prüfpunkt
Kaliumchlorid – KCl	ca. 85 % rF	Hoher Feuchtebereich
Kaliumsulfat – K2SO4	ca. 97 % rF	Sehr hoher Feuchtebereich

Die Werte in dieser Tabelle dienen nur zur Orientierung.

Für die tatsächliche Kalibrierung darf nicht einfach mit „11 %, 33 % oder 75 %“ gerechnet werden.

Der exakte Referenzwert muss anhand der tatsächlichen Temperatur und der für die verwendete Salzlösung gültigen Referenzdaten beziehungsweise des Kalibrierzertifikats bestimmt werden.

Die Abhängigkeit ist je nach Salz unterschiedlich stark.

Warum die Salzlösung wirklich gesättigt sein muss

Der definierte Feuchtepunkt entsteht nur unter den vorgesehenen Bedingungen einer gesättigten Lösung.

Eine praktische gesättigte Salzlösung besitzt deshalb typischerweise:

• eine flüssige Phase,
• und zusätzlich noch ungelöstes Salz.

Das ungelöste Salz zeigt, dass die Lösung bei der jeweiligen Temperatur nicht einfach vollständig verdünnt ist.

Wird zu viel Wasser zugegeben und das gesamte Salz löst sich vollständig, kann die Konzentration unterhalb der Sättigungsgrenze liegen. Dann gilt der erwartete Feuchte-Fixpunkt nicht mehr automatisch.

Ebenso problematisch sind:

• Verunreinigungen der Lösung,
• Vermischung verschiedener Salzsysteme,
• verschmutzte Kammern,
• falsches Wasser bei selbst angesetzten Lösungen,
• ausgetrocknete Salzansätze.

Bei qualitätsrelevanten Prüfungen sind vorbereitete beziehungsweise dokumentierte Referenzsysteme deshalb einem improvisierten Aufbau vorzuziehen.

Temperatur der Salzlösung und Kammer messen

Bei einer Salzkalibrierung gehört die Temperaturmessung unmittelbar zur Bestimmung des Referenzwertes.

Die entscheidende Temperatur ist nicht einfach die Raumtemperatur an der Wand.

Relevant ist vielmehr die Temperatur der Salzkammer beziehungsweise des Systems, in dem sich Sensor und Referenz befinden.

Problematisch wäre beispielsweise:

• Raumtemperatur 23 °C,
• Salzkammer stand zuvor in einem Fahrzeug bei 10 °C,
• Sensor kommt aus einem 40 °C warmen Prozess,
• Kalibrierung beginnt unmittelbar nach dem Zusammenbau.

In diesem Zustand können weder Temperatur noch Feuchte im System bereits im Gleichgewicht sein.

Die Anzeige des Sensors verändert sich dann zunächst durch die thermische Anpassung und nicht zwingend aufgrund seiner Kalibrierkennlinie.

Warum Stabilisierungszeit wichtiger als Sensor-Ansprechzeit ist

Die Ansprechzeit eines Feuchtesensors und die erforderliche Stabilisierungszeit einer Kalibrierung sind zwei unterschiedliche Dinge.

Ein Sensor kann beispielsweise eine Ansprechzeit von wenigen Sekunden besitzen.

Trotzdem kann die vollständige Kalibrierstelle wesentlich länger benötigen, weil sich gleichzeitig angleichen müssen:

• Temperatur des Sensorelements,
• Temperatur des Sondenkörpers,
• Temperatur des Kabels,
• Temperatur des Kammermaterials,
• Feuchte des Gasvolumens,
• Feuchtebeladung von Filtern und Schutzkappen.

Ein besonders häufiger Fehler lautet deshalb:

„Der Messwert ändert sich seit zwei Minuten kaum noch, also ist die Kalibrierung stabil.“

Das muss nicht stimmen.

Ein besseres Kriterium ist ein definiertes Stabilitätsfenster.

Beispielsweise kann festgelegt werden, dass:

• Referenzfeuchte über einen definierten Zeitraum nur noch gering schwankt,
• Prüflingsanzeige ebenfalls stabil ist,
• Temperatur zwischen Referenz und Prüfling ausreichend angeglichen ist.

Die erforderliche Zeit hängt stark von Prüfling, Filter, Kammergröße und Ausgangstemperatur ab.

Bei Salzsystemen sind einige zehn Minuten durchaus normal. Kommt eine warme Sonde direkt aus einem Prozess oder ein kalter Kalibrator aus dem Transport, kann die vollständige thermische Stabilisierung deutlich länger dauern.

Kalibrierung mit Salzlösung Schritt für Schritt

Für eine reproduzierbare Prüfung ist ein definierter Ablauf sinnvoll.

1. Prüfplan festlegen: Welche Feuchtepunkte sollen geprüft werden?
2. Passende Salzreferenzen auswählen: beispielsweise ein niedriger und ein hoher Punkt.
3. Zustand der Referenz prüfen: Salzlösung, Kammer, Dichtungen und Dokumentation kontrollieren.
4. System temperieren: Kalibrator, Sensor und Zubehör ausreichend lange am Prüfplatz lagern.
5. Temperatur erfassen: Temperatur der jeweiligen Salzkammer bestimmen.
6. Sensor einsetzen: Sondenöffnung nur möglichst kurz offenhalten.
7. Kammer dicht verschließen: Nicht verwendete Öffnungen verschließen.
8. Sensor nicht unnötig berühren: Handwärme kann die Sondentemperatur verändern.
9. Stabilisierung abwarten: Nicht ausschließlich nach einer festen Minutenangabe arbeiten.
10. Referenzwert bestimmen: Passenden rF-Wert für die tatsächlich gemessene Temperatur verwenden.
11. As-Found-Wert dokumentieren: Prüfling vor einer möglichen Justage ablesen.
12. Abweichung berechnen: Prüfling minus Referenz.
13. Nächsten Feuchtepunkt prüfen: Bei Mehrpunktprüfung sinnvollerweise definiert von trocken nach feucht arbeiten.
14. Gegebenenfalls justieren: Nur wenn vorgesehen und technisch erforderlich.
15. Nachprüfung durchführen: Nach einer Justage die relevanten Punkte erneut prüfen.

Wichtig ist insbesondere der As-Found-Wert.

Wird ein Sensor sofort auf die Referenz eingestellt, geht die Information verloren, wie groß seine Abweichung vor der Justage tatsächlich war.

Kalibrierung mit Feuchtegenerator oder Feuchtekammer

Ein geregelter Feuchtegenerator beziehungsweise eine Feuchtekammer erzeugt definierte Temperatur- und Feuchtebedingungen aktiv.

Im Gegensatz zur Salzlösung lassen sich innerhalb des Gerätebereichs verschiedene Sollwerte einstellen.

Das ist besonders praktisch für:

• Mehrpunktkalibrierungen,
• mehrere Sensoren gleichzeitig,
• automatische Prüfabläufe,
• Hystereseprüfungen,
• Prüfungen bei verschiedenen Temperaturen.

Ein typischer Prüfplan könnte beispielsweise enthalten:

• 20 % rF,
• 40 % rF,
• 60 % rF,
• 80 % rF

bei einer definierten Temperatur.

Für eine anspruchsvollere Prüfung können zusätzlich verschiedene Temperaturen verwendet werden.

Entscheidend ist jedoch auch bei einem automatischen Feuchtegenerator:

Dass das Gerät seinen Sollwert erreicht hat, bedeutet noch nicht automatisch, dass auch der Prüfling vollständig stabilisiert ist.

Ein Generator kann die Kammeratmosphäre sehr schnell regeln, während beispielsweise ein massiver Prozessfühler mit Metallgehäuse oder ein Sensor mit dichtem Filter noch deutlich länger für das Temperaturgleichgewicht benötigt.

Referenzhygrometer richtig einsetzen

Bei einer Feuchtekammer wird der Sollwert häufig über einen internen Sensor geregelt.

Für hochwertige Vergleichsmessungen kann zusätzlich ein kalibriertes Referenzhygrometer eingesetzt werden.

Die Messkette besteht dann beispielsweise aus:

Feuchtegenerator → Referenzhygrometer → Prüfling

Wichtig ist, dass Referenz und Prüfling möglichst vergleichbare Bedingungen sehen.

Sie sollten deshalb:

• im gleichen Prüfvolumen sitzen,
• nicht an gegenüberliegenden Temperaturzonen positioniert werden,
• vergleichbar tief eingeführt werden,
• nicht direkt an kalten oder warmen Kammerwänden liegen,
• die Luftströmung nicht gegenseitig abschatten.

Die Kalibrierqualität kann niemals besser beurteilt werden als es die Qualität und Rückführbarkeit der verwendeten Referenz erlaubt.

Homogenität und Position im Prüfraum

Eine Feuchtekammer besitzt nicht zwangsläufig an jeder Stelle exakt dieselbe Temperatur und relative Feuchte.

Unterschiede können beispielsweise entstehen durch:

• Kammerwände,
• Tür beziehungsweise Deckel,
• Befeuchtungs- und Trocknungssystem,
• Luftumwälzung,
• Anzahl und Größe der Prüflinge.

Deshalb sind zwei Begriffe wichtig:

• Stabilität: Wie stark verändert sich der Wert an einer Stelle über die Zeit?
• Homogenität beziehungsweise Uniformität: Wie stark unterscheiden sich verschiedene Positionen innerhalb des Prüfvolumens?

Eine Kammer kann zeitlich sehr stabil sein und trotzdem zwischen zwei Positionen unterschiedliche Werte besitzen.

Referenz und Prüfling sollten deshalb möglichst nahe zueinander positioniert werden, sofern dadurch die Luftströmung nicht beeinträchtigt wird.

Luftströmung und Sondenbeladung berücksichtigen

Die Luftströmung in einer aktiven Feuchtekammer dient dazu, Temperatur und Feuchte möglichst gleichmäßig zu verteilen.

Zu viele oder ungünstig positionierte Prüflinge können diese Strömung verändern.

Problematisch sind beispielsweise:

• große Messumformergehäuse direkt vor dem Luftaustritt,
• mehrere dicht nebeneinander montierte Sonden,
• lose Kabelbündel im Prüfvolumen,
• offene Sondenöffnungen, durch die Raumluft eindringen kann.

Bei Mehrfachkalibrierungen muss deshalb nicht nur geprüft werden, ob die Sensoren mechanisch in die Kammer passen.

Auch das Kammer- und Strömungskonzept muss zur Anzahl und Größe der Prüflinge passen.

Warum der Taupunkt bei hoher Feuchte kritisch wird

Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der die vorhandene Wasserdampfmenge gerade zur Sättigung führt.

Wird eine Oberfläche kälter als der Taupunkt, kann Wasser kondensieren.

Bei hohen relativen Feuchten liegt der Taupunkt nur wenig unterhalb der Lufttemperatur.

Dadurch kann schon ein kleiner Temperaturgradient problematisch werden.

Beispiel:

Eine Sonde wird aus einem kühlen Raum in eine warme Kammer mit hoher Feuchte eingebracht. Der Sondenkörper ist zunächst noch deutlich kälter als die Kammerluft.

Dann kann lokal am Sensor Kondensation entstehen.

Mögliche Folgen sind:

• Feuchteanzeige nahe 100 % rF,
• sehr lange Erholungszeit,
• veränderte Sensorcharakteristik,
• Kontamination bei verschmutztem Kondensat.

Bei Prüfungen im oberen Feuchtebereich ist deshalb eine ausreichende thermische Vorkonditionierung besonders wichtig.

Einpunkt-, Zweipunkt- oder Mehrpunktprüfung?

Einpunktprüfung

Eine Einpunktprüfung eignet sich beispielsweise für:

• schnelle Zwischenkontrolle,
• Überwachung eines besonders wichtigen Arbeitspunktes,
• Trendbeobachtung eines Sensors.

Sie zeigt jedoch nicht zuverlässig, ob die gesamte Feuchtekennlinie korrekt ist.

Zweipunktprüfung

Bei einer Zweipunktprüfung werden ein niedriger und ein höherer Feuchtepunkt verwendet.

Ein klassisches Beispiel ist:

• niedriger Punkt mit LiCl,
• höherer Punkt mit NaCl.

Dadurch können sowohl ein Offset als auch eine Veränderung der Kennliniensteigung wesentlich besser erkannt werden.

Mehrpunktprüfung

Für hochwertige Sensoren und qualitätskritische Anwendungen ist eine Mehrpunktprüfung sinnvoll.

Sie kann beispielsweise zeigen:

• nichtlineare Abweichungen,
• Fehler nur im oberen Feuchtebereich,
• Hysterese,
• temperaturabhängige Abweichungen.

Die Prüfstellen sollten möglichst den tatsächlichen Arbeitsbereich der Anwendung abdecken.

Hysterese durch Auf- und Abfahrt erkennen

Ein Feuchtesensor kann bei demselben Feuchtewert unterschiedliche Anzeigen liefern, je nachdem, ob der Punkt von einer niedrigeren oder einer höheren Feuchte angefahren wird.

Dieses Verhalten wird als Hysterese bezeichnet.

Eine reine Messreihe von beispielsweise:

20 → 40 → 60 → 80 % rF

zeigt diesen Effekt nur eingeschränkt.

Eine zusätzliche Rückfahrt:

80 → 60 → 40 → 20 % rF

kann dagegen sichtbar machen, ob derselbe Prüfpunkt aus beiden Richtungen reproduzierbar erreicht wird.

Für Hystereseprüfungen ist ein aktiv regelbarer Feuchtegenerator besonders komfortabel, da die Sollpunkte kontrolliert angefahren werden können.

Kontamination des Feuchtesensors vermeiden

Feuchtesensoren können durch Ablagerungen und bestimmte chemische Stoffe beeinflusst werden.

Vor der Kalibrierung sollte deshalb der Zustand der Sonde kontrolliert werden.

Typische Probleme sind:

• Staub auf dem Filter,
• Ölnebel,
• Reinigungsmittel,
• Lösemitteldämpfe,
• Prozessablagerungen,
• Kondensatrückstände.

Ein verschmutzter Filter kann außerdem die Ansprechzeit verlängern.

Dadurch entsteht ein gefährlicher Effekt:

Der Sensor erreicht möglicherweise irgendwann den richtigen Endwert, braucht dafür aber wesentlich länger als erwartet.

Wird die Kalibrierung vorher beendet, erscheint die langsame Reaktion fälschlicherweise als Messabweichung.

Ein Filter sollte nur entsprechend den Vorgaben des Sensorherstellers gereinigt oder ersetzt werden.

Kalibrieren und Justieren nicht verwechseln

Die Begriffe Kalibrieren und Justieren werden in der Praxis häufig gleichgesetzt, beschreiben aber unterschiedliche Schritte.

Kalibrieren

Beim Kalibrieren wird festgestellt, wie groß die Abweichung eines Messgeräts gegenüber einer Referenz ist.

Das Gerät wird dabei nicht zwangsläufig verändert.

Justieren

Beim Justieren wird das Messgerät gezielt verändert, damit seine Anzeige beziehungsweise sein Ausgangssignal besser mit dem Referenzwert übereinstimmt.

Für eine nachvollziehbare Dokumentation ist deshalb sinnvoll:

• As Found: Zustand des Sensors vor der Justage,
• As Left: Zustand nach einer gegebenenfalls durchgeführten Justage.

Ein Sensor sollte nicht automatisch justiert werden, nur weil bei einem einzelnen noch nicht stabilisierten Prüfpunkt eine Abweichung festgestellt wurde.

Messunsicherheit richtig bewerten

Eine Kalibrierung besteht nicht nur aus Referenzwert und Sensoranzeige.

Zum tatsächlichen Unsicherheitsbudget können unter anderem beitragen:

• Unsicherheit der Feuchtereferenz,
• Unsicherheit der Temperaturmessung,
• Temperaturunterschied zwischen Referenz und Prüfling,
• Stabilität der Kammer,
• räumliche Homogenität der Kammer,
• Auflösung des Prüflings,
• Wiederholbarkeit,
• Hysterese,
• Drift der Referenz,
• Einfluss der Sondenposition.

Bei einer Salzlösung gehört zusätzlich die Unsicherheit des jeweiligen Feuchte-Fixpunktes bei der betreffenden Temperatur zur Betrachtung.

Ein häufiger Denkfehler lautet:

„Meine Referenz hat ±0,5 % rF, also hat meine gesamte Kalibrierung ±0,5 % rF.“

Das ist normalerweise nicht korrekt.

Die Referenz ist nur ein Beitrag innerhalb der vollständigen Messkette.

Typische Fehlerbilder bei der Feuchtekalibrierung

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Sensor zeigt direkt nach dem Einsetzen deutlich zu wenig Feuchte	Sensor beziehungsweise Sondenkörper noch zu warm	Temperaturangleichung abwarten und Messwerttrend beobachten
Messwert steigt über 20 bis 30 Minuten langsam weiter	System noch nicht im Feuchte- und Temperaturgleichgewicht	Stabilisierungszeit verlängern
Große Abweichung nur bei hoher Feuchte	Temperaturgradient, Kondensation oder Sensorhysterese	Temperaturen vergleichen und Rückfahrt prüfen
NaCl-Prüfung zeigt nicht exakt 75 % rF	Referenzwert wurde ohne Temperaturkorrektur angenommen	Salzkammertemperatur erfassen und korrekten Referenzwert verwenden
Zwei Sensoren in derselben Kammer unterscheiden sich deutlich	Unterschiedliche Position, Temperatur oder Filter-Ansprechzeit	Sondenpositionen tauschen und Stabilisierung wiederholen
Alle Prüflinge zeigen ähnliche Abweichung zur Referenz	Referenzproblem oder Kammergradient möglich	Unabhängige Referenz beziehungsweise zweite Position prüfen
Sensor reagiert nach Prozessbetrieb sehr langsam	Filter verschmutzt oder Sensor kontaminiert	Sensor und Schutzfilter kontrollieren
Messwert springt nach Öffnen der Kammer	Raumluft ist in das Prüfvolumen eingedrungen	Kammer wieder schließen und vollständig stabilisieren lassen
Nach Justage stimmt ein Punkt, andere Punkte aber nicht	Nichtlinearität oder ungeeignete Einpunktjustage	Mehrpunktprüfung durchführen
Aufwärts- und Abwärtsmessung unterscheiden sich	Sensorhysterese	Definierten Auf-/Abwärtszyklus durchführen

Systematischer Prüfablauf bei Verdacht auf Sensordrift

Wenn ein Feuchtesensor im Betrieb unplausible Werte zeigt, sollte nicht sofort nachjustiert werden.

Ein sinnvoller Ablauf ist:

1. Anwendung prüfen: Ist der Vergleichswert im Prozess überhaupt zuverlässig?
2. Sensorzustand kontrollieren: Filter, Verschmutzung und mögliche Kondensation prüfen.
3. Sensor ausreichend konditionieren: Prozess- und Kalibriertemperatur angleichen.
4. Ersten Referenzpunkt herstellen: Salzlösung oder Feuchtekammer verwenden.
5. Temperatur erfassen: Prüfling und Referenz müssen thermisch vergleichbar sein.
6. Stabilisierung abwarten: Trend statt nur einzelne Anzeige betrachten.
7. As-Found-Wert dokumentieren: Noch keine Justage durchführen.
8. Zweiten Feuchtepunkt prüfen: Möglichst ausreichend vom ersten Punkt entfernt.
9. Weitere Punkte ergänzen: Besonders im eigentlichen Einsatzbereich des Sensors.
10. Hysterese prüfen: Falls hohe Anforderungen bestehen, Sollwerte auch rückwärts anfahren.
11. Messunsicherheit bewerten: Referenz, Temperatur und Kammer berücksichtigen.
12. Erst dann entscheiden: Sensor akzeptieren, justieren, reinigen oder ersetzen.

Praxisbeispiel: vermeintliche Sensordrift im Reinraum

In einem Reinraum werden mehrere Feuchte- und Temperatursensoren eingesetzt. Einer der Sensoren zeigt im laufenden Betrieb dauerhaft rund 3 % rF weniger als ein mobiles Kontrollgerät.

Der Sensor wird ausgebaut und in einer Feuchtereferenz bei ungefähr 75 % rF geprüft.

Nach fünf Minuten zeigt der Prüfling 71,8 % rF.

Die erste Vermutung lautet:

Der Sensor besitzt einen Offset von rund −3 % rF.

Schritt 1: Messwert nicht sofort justieren

Der Prüfling wird zunächst nicht verändert. Stattdessen wird der Messwert weiter beobachtet.

Nach 15 Minuten zeigt er 73,6 % rF.

Nach 30 Minuten liegt der Messwert bereits wesentlich näher am Referenzwert.

Schritt 2: Temperatur vergleichen

Die Temperaturanzeige zeigt, dass der Sensor zu Beginn der Prüfung noch deutlich wärmer war als die Referenzkammer.

Der scheinbare Feuchtefehler war deshalb zumindest teilweise durch den Temperaturunterschied verursacht.

Schritt 3: zweiten Punkt prüfen

Nach vollständiger Stabilisierung wird zusätzlich ein niedriger Feuchtepunkt geprüft.

Auch dort liegt die Abweichung innerhalb der erwarteten Grenzen.

Schritt 4: Ursache im ursprünglichen Einbau untersuchen

Bei der Kontrolle im Reinraum fällt auf, dass der fest installierte Sensor näher an einer wärmeren Wandfläche montiert ist als das mobile Kontrollgerät.

Beide Geräte messen dadurch nicht exakt dieselbe Lufttemperatur.

Da relative Feuchte unmittelbar temperaturabhängig ist, erklärt dies einen wesentlichen Teil der beobachteten Differenz.

Ergebnis: Eine vorschnelle Justage hätte einen funktionierenden Sensor verstellt. Die eigentliche Ursache lag in der thermischen Stabilisierung während der Prüfung und in unterschiedlichen Messbedingungen am Einbauort.

Das Beispiel zeigt den wichtigsten Grundsatz:

Bei einer Feuchtekalibrierung muss zuerst das thermische und hygrometrische Gleichgewicht stimmen, bevor eine Abweichung als Sensordrift bewertet wird.

Passende Feuchtkalibratoren für Salz- und Kammerverfahren

Für regelmäßige Prüfungen mehrerer Feuchtesensoren bieten aktiv geregelte Feuchtegeneratoren gegenüber einzelnen Salzreferenzen insbesondere den Vorteil, dass unterschiedliche Feuchte- und Temperaturpunkte gezielt angefahren werden können.

Huminator II – Feuchte- und Temperaturkalibrator für Sensoren und Datenlogger

Der Huminator II ist für die Feuchtekalibrierung von Messgeräten, Fühlern und Datenloggern verschiedener Hersteller vorgesehen.

Der angegebene Arbeitsbereich umfasst:

• Temperatur: 5 °C bis 50 °C,
• relative Feuchte: 5 % rF bis 95 % rF.

Das System besitzt einen integrierten, zugänglichen und austauschbaren Referenzfühler. Messpunkte und Messreihen können programmiert und Messwerte grafisch beziehungsweise tabellarisch dargestellt und gespeichert werden.

Die Messkammer ermöglicht die gleichzeitige Aufnahme verschiedener Sensorbauformen.

Besonders interessant für die Praxis ist die schnelle Regelung des Generators. Dennoch muss bei jeder Kalibrierung unterschieden werden zwischen:

Stabilität des Generators und vollständiger Stabilisierung des eingesetzten Prüflings.

Ein massiver Sensor oder eine Sonde, die unmittelbar aus einem deutlich wärmeren beziehungsweise kälteren Prozess kommt, kann trotz stabiler Kammer zusätzliche Zeit benötigen.

Weitere Informationen finden Sie unter Huminator II bei ICS Schneider.

EP-Z600 – tragbarer Feuchtekalibrator für Service und Vor-Ort-Prüfung

Der EP-Z600 ist als tragbarer Feuchtegenerator für mobile Kalibrier- und Serviceaufgaben ausgelegt.

Zur Ausstattung gehören unter anderem:

• 7-Zoll-Touchscreen,
• integrierter Akku für bis zu 8 Stunden Betrieb,
• RS232,
• RS485,
• USB,
• LAN,
• optionale beziehungsweise ausstattungsabhängige drahtlose Kommunikation.

Ein mobiles System ist insbesondere interessant, wenn Sensoren möglichst nahe an ihrem Einsatzort geprüft werden sollen.

Auch hier gilt jedoch: Kommt ein Sensor unmittelbar aus einem warmen oder kalten Prozess, muss vor der Bewertung der Feuchteabweichung ausreichend Zeit für das Temperaturgleichgewicht eingeplant werden.

Weitere Informationen finden Sie unter EP-Z600 bei ICS Schneider.

EP-Z6000 – Feuchtegenerator mit größerem Prüfvolumen

Der EP-Z6000 eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen mehr Prüfvolumen beziehungsweise mehrere oder größere Prüflinge benötigt werden.

Das System bietet unter anderem:

• 2 Liter Kammervolumen,
• 9-Zoll-Touchscreen,
• RS232- und RS485-Schnittstellen,
• USB und LAN,
• auf Homogenität ausgelegte Kammerbedingungen.

Bei mehreren gleichzeitig eingebrachten Sensoren sollte trotzdem darauf geachtet werden, dass die Luftströmung nicht unnötig behindert wird und Referenz und Prüflinge repräsentative Positionen erhalten.

Weitere Informationen finden Sie unter EP-Z6000 bei ICS Schneider.

1000 – kompakter Feuchtegenerator

Der Feuchtegenerator 1000 ist als kompakte Tischlösung für Feuchtekalibrierungen vorgesehen.

Zu den angegebenen Eigenschaften gehören:

• kompakte Bauform,
• schnell wechselbares Trockenmittel,
• optimierter Luftstrom,
• kundenspezifische Sondenöffnungen,
• Gewicht von 8,4 kg,
• Feuchtegenauigkeit von ±1,0 % rF oder besser.

Individuelle Sondenöffnungen sind besonders hilfreich, wenn unterschiedliche Sensorbauformen reproduzierbar in das Prüfvolumen eingebracht werden sollen.

Weitere Informationen finden Sie unter Feuchtegenerator 1000 bei ICS Schneider.

Salzlösung oder aktiver Feuchtegenerator?

Anforderung	Sinnvolles Verfahren
Einfache Zwischenprüfung eines Sensors	Gesättigte Salzlösung
Kostengünstige Zwei-Punkt-Prüfung	Zwei geeignete Salzreferenzen
Beliebige Feuchtepunkte einstellen	Aktiver Feuchtegenerator
Mehrpunktkalibrierung	Feuchtegenerator beziehungsweise Feuchtekammer
Prüfung mehrerer Sensoren	Kammer mit ausreichendem Prüfvolumen und Homogenität
Feuchte bei verschiedenen Temperaturen prüfen	Feuchte-/Temperaturgenerator
Hysterese untersuchen	Programmierbarer Feuchtegenerator mit Auf- und Abfahrt
Hochwertige rückführbare Vergleichsmessung	Feuchtegenerator plus geeignete kalibrierte Referenz

Eine Übersicht der verfügbaren Geräte finden Sie unter Feuchtkalibratoren bei ICS Schneider.

Fazit

Bei der Kalibrierung von Feuchtesensoren entscheidet nicht allein die Genauigkeit der Referenz über die Qualität des Ergebnisses.

Mindestens ebenso wichtig sind Temperaturgleichgewicht, ausreichende Stabilisierungszeit, Homogenität des Prüfvolumens, Sondenposition und ein sauberer Sensorzustand.

Gesättigte Salzlösungen sind eine einfache und sehr nützliche Möglichkeit, definierte Feuchtepunkte für Zwischen- und Vergleichsprüfungen zu erzeugen. Entscheidend ist jedoch, dass die Lösung tatsächlich den vorgesehenen Zustand besitzt und der Referenzwert entsprechend der tatsächlichen Temperatur verwendet wird.

Aktive Feuchtegeneratoren bieten wesentlich mehr Flexibilität. Mehrere Feuchtepunkte, unterschiedliche Temperaturen und Hysteresetests können gezielt angefahren werden. Bei mehreren Prüflingen muss zusätzlich auf Kammerhomogenität und Luftströmung geachtet werden.

Der häufigste praktische Fehler ist eine zu frühe Bewertung des Messwertes.

Eine stabile Anzeige ist nicht automatisch ein thermisches Gleichgewicht.

Besonders bei hohen relativen Feuchten können bereits kleine Temperaturunterschiede zu erheblichen Abweichungen führen. Im ungünstigsten Fall wird ein einwandfreier Sensor justiert, obwohl eigentlich nur die Kalibrieranordnung noch nicht stabil war.

Für eine belastbare Feuchtekalibrierung gilt deshalb:

Referenz festlegen → Temperatur angleichen → Prüfling korrekt positionieren → Gleichgewicht abwarten → As-Found-Wert dokumentieren → weitere Messpunkte prüfen → erst danach über eine Justage entscheiden.

FAQ: Feuchtesensor mit Salzlösung oder Feuchtekammer kalibrieren

Kann man einen Feuchtesensor mit Salzlösung kalibrieren?

Ja. Gesättigte Salzlösungen können in einer geschlossenen Kammer definierte Feuchte-Fixpunkte erzeugen. Der tatsächliche Referenzwert hängt von der verwendeten Salzlösung und der Temperatur ab.

Welche Salzlösung erzeugt ungefähr 11 % relative Feuchte?

Lithiumchlorid, LiCl, wird häufig für einen niedrigen Feuchtereferenzpunkt von ungefähr 11 % rF verwendet. Für die Auswertung muss der exakte Wert bei der tatsächlichen Temperatur berücksichtigt werden.

Welche Salzlösung erzeugt ungefähr 33 % rF?

Gesättigtes Magnesiumchlorid, MgCl₂, erzeugt bei Raumtemperatur einen Feuchtewert im Bereich von ungefähr 33 % rF.

Welche Salzlösung erzeugt ungefähr 75 % rF?

Natriumchlorid, NaCl, wird sehr häufig als Referenz im Bereich von ungefähr 75 % rF verwendet. Der genaue Wert ist temperaturabhängig.

Welche Salzlösung eignet sich für sehr hohe Feuchte?

Kaliumsulfat, K₂SO₄, kann einen Referenzpunkt im Bereich von ungefähr 97 % rF erzeugen. Prüfungen in diesem Feuchtebereich sind wegen der Nähe zum Taupunkt besonders empfindlich gegenüber Temperaturgradienten.

Muss die Salzlösung gesättigt sein?

Ja. Der definierte Feuchtepunkt setzt den vorgesehenen Zustand der gesättigten Lösung voraus. Bei einem selbst angesetzten System sollte noch eine geeignete feste Salzphase vorhanden sein, damit die Sättigung sichergestellt werden kann.

Warum verändert sich der Referenzwert einer Salzlösung mit der Temperatur?

Der Gleichgewichtsdampfdruck über der Salzlösung und der Sättigungsdampfdruck von Wasser sind temperaturabhängig. Deshalb muss der Referenzwert für die tatsächliche Temperatur der Salzkammer bestimmt werden.

Kann ich bei NaCl einfach mit exakt 75 % rF rechnen?

Für eine grobe Funktionsprüfung kann die Größenordnung hilfreich sein. Für eine dokumentierte Kalibrierung sollte jedoch der für die tatsächliche Temperatur gültige Referenzwert verwendet werden.

Wie lange muss ein Feuchtesensor in einer Salzlösung stabilisieren?

Das hängt von Sensor, Filter, Kammer, Ausgangsfeuchte und insbesondere vom Temperaturunterschied ab. Einige zehn Minuten sind bei vielen Prüfungen normal. Bei stark unterschiedlichen Ausgangstemperaturen kann die vollständige Stabilisierung deutlich länger dauern.

Reicht es, wenn sich der Messwert zwei Minuten nicht verändert?

Nicht unbedingt. Die Anzeige kann scheinbar stabil sein, obwohl sich der Sondenkörper thermisch noch anpasst. Ein definiertes Stabilitätskriterium für Feuchte und Temperatur ist zuverlässiger.

Warum ist Temperatur bei einer Feuchtekalibrierung so wichtig?

Relative Feuchte ist unmittelbar temperaturabhängig. Bereits kleine Temperaturunterschiede zwischen Prüfling und Referenz können deshalb eine messbare Feuchteabweichung verursachen.

Warum ist der Temperaturfehler bei hoher Feuchte besonders groß?

Bei hoher relativer Feuchte liegt die Luft näher an der Sättigungsgrenze. Eine kleine Temperaturänderung verändert deshalb den relativen Abstand zur Sättigung besonders stark.

Was passiert, wenn der Sensor während der Kalibrierung kälter als die Kammer ist?

Er kann eine höhere relative Feuchte erfassen als tatsächlich für die Kammerluft vorgesehen ist. Bei ausreichend hoher Feuchte kann die Sensoroberfläche sogar unter den Taupunkt fallen und Kondensation entstehen.

Was passiert bei Kondensation auf dem Feuchtesensor?

Der Sensor kann kurzfristig einen extrem hohen Feuchtewert anzeigen und benötigt anschließend Zeit zum Trocknen. Verunreinigtes Kondensat kann zudem die Sensorcharakteristik beeinträchtigen.

Sollte man die Kalibrierung bei niedriger oder hoher Feuchte beginnen?

Bei vielen Verfahren ist eine definierte Reihenfolge von trocken nach feucht sinnvoll. Dadurch kann unter anderem das Risiko reduziert werden, Feuchtigkeit aus einem hohen Prüfpunkt in einen niedrigeren Referenzpunkt einzutragen.

Ist eine Einpunktkalibrierung ausreichend?

Für eine Zwischenprüfung an einem wichtigen Arbeitspunkt kann sie ausreichen. Sie liefert jedoch wenig Information über Kennliniensteigung, Nichtlinearität und Hysterese.

Warum ist eine Zweipunktprüfung besser?

Ein niedriger und ein höherer Referenzpunkt ermöglichen eine deutlich bessere Beurteilung von Offset und Kennliniensteigung.

Wann sollte man mehrere Feuchtepunkte prüfen?

Mehrpunktprüfungen sind besonders sinnvoll bei hohen Genauigkeitsanforderungen, breitem Arbeitsbereich, qualitätskritischen Anwendungen oder Verdacht auf nichtlineare Sensorabweichungen.

Was ist Hysterese bei einem Feuchtesensor?

Hysterese bedeutet, dass der Sensor bei demselben Feuchtewert abhängig davon, ob dieser von einer niedrigeren oder höheren Feuchte angefahren wird, leicht unterschiedliche Werte anzeigen kann.

Wie prüft man die Hysterese eines Feuchtesensors?

Der Sensor wird über mehrere Feuchtepunkte zunächst in steigender und anschließend in fallender Richtung geprüft. Die Ergebnisse an identischen Sollpunkten werden miteinander verglichen.

Was ist besser: Salzlösung oder Feuchtekammer?

Salzlösungen sind einfach und wirtschaftlich für definierte Einzelpunkte. Eine geregelte Feuchtekammer beziehungsweise ein Feuchtegenerator ist flexibler, weil beliebige Sollpunkte innerhalb des Arbeitsbereichs eingestellt und automatisierte Mehrpunktprüfungen durchgeführt werden können.

Benötigt eine Feuchtekammer ein Referenzhygrometer?

Das hängt von Geräteausführung und Qualitätsanforderung ab. Manche Systeme besitzen eine integrierte Referenz. Für anspruchsvolle Vergleichskalibrierungen kann eine zusätzliche rückführbar kalibrierte Referenz sinnvoll sein.

Wo sollten Referenz und Prüfling in der Feuchtekammer sitzen?

Möglichst in vergleichbaren Bereichen des Prüfvolumens und nicht direkt an Kammerwänden oder in unterschiedlichen Temperaturzonen. Gleichzeitig darf die Luftströmung nicht unnötig behindert werden.

Kann man mehrere Feuchtesensoren gleichzeitig kalibrieren?

Ja, sofern die Kammer für Anzahl und Größe der Prüflinge geeignet ist. Die Sensoren sollten die Luftströmung nicht gegenseitig abschatten und die Homogenität des Prüfvolumens muss berücksichtigt werden.

Was ist der Unterschied zwischen Stabilität und Homogenität?

Stabilität beschreibt die zeitliche Veränderung an einer Position. Homogenität beschreibt Unterschiede zwischen verschiedenen Positionen innerhalb der Kammer. Beide Größen sind für eine zuverlässige Kalibrierung relevant.

Kann ein verschmutzter Filter die Kalibrierung beeinflussen?

Ja. Ein verschmutzter Filter kann den Feuchteausgleich verlangsamen und dadurch eine sehr lange Ansprechzeit verursachen. Zusätzlich können Kontaminationen am eigentlichen Sensorelement die Messcharakteristik verändern.

Sollte ein Sensor bei einer festgestellten Abweichung sofort justiert werden?

Nein. Zuerst sollte geprüft werden, ob Referenz, Temperaturgleichgewicht, Stabilisierung und Sensorzustand korrekt sind. Erst eine reproduzierbar bestätigte Abweichung sollte als Grundlage für eine Justage dienen.

Was bedeutet As Found und As Left?

As Found bezeichnet den Zustand des Sensors vor einer Justage. As Left dokumentiert den Zustand nach einer gegebenenfalls durchgeführten Justage. Beide Werte sind für die Nachvollziehbarkeit einer Kalibrierung wichtig.

Welche Faktoren gehören zur Messunsicherheit einer Feuchtekalibrierung?

Dazu gehören unter anderem Referenzunsicherheit, Temperaturmessung, Temperaturgradienten, Kammerstabilität, Homogenität, Wiederholbarkeit, Hysterese, Auflösung und Drift.

Welcher Feuchtkalibrator eignet sich für programmierbare Mehrpunktprüfungen?

Für solche Anwendungen eignet sich beispielsweise der Huminator II. Er ermöglicht die Erzeugung definierter Feuchte- und Temperaturbedingungen und bietet programmierbare Messpunkte und Messreihen.

Welcher Kalibrator eignet sich für mobile Feuchteprüfungen?

Der EP-Z600 ist als tragbarer Feuchtekalibrator ausgelegt und besitzt unter anderem einen integrierten Akku sowie verschiedene Kommunikationsschnittstellen.

Welches System eignet sich für mehrere beziehungsweise größere Prüflinge?

Der EP-Z6000 bietet ein Prüfvolumen von 2 Litern und ist insbesondere für Anwendungen interessant, bei denen ein größeres Kammer- beziehungsweise Prüfvolumen benötigt wird.