September 25, 2014

Bau eines elektronischen Psychrometers

Im Cigar Journal 2/2014 und 3/2014 berichtet Marc André ausführlich über verschiedene Arten von Hygrometern und deren Kalibrierung.

Wie ich bereits berichtet habe, verwende ich in meinem Humidorschrank eine selbstgebaute, mikrocontrollergesteuerte Befeuchtung, welche die Feuchtigkeit über drei kapazitive Feuchtesensoren ermittelt. Die Anfangskalibrierung erfolgte mittels konventioneller Haarhygrometer, die ich mit der Salz-Methode und Feuchtenormale kalibriert hatte. Da diese Kalibrierung jedoch gewisse Schwierigkeiten mit sich bringt, habe ich die ermittelten Feuchtewerte immer mit einer gewissen Skepsis behandelt.



Um diesen Schwierigkeiten aus dem Weg zu gehen, habe ich mir nun ein elektronisches Psychrometer gebastelt.

Dieses ermittelt die relative Luftfeuchte sehr präzise aus der Differenz zwischen der Umgebungstemperatur und der sogenannten Feuchtkugeltemperatur. Dazu ist eines der Thermometer mit einem Baumwollstrumpf überzogen, der mit destilliertem Wasser befeuchtet ist. Dieses Thermometer misst nun die "Verdunstungskälte". Diese ist umso niedriger, je trockener die Umgebungsluft ist. Wer keine Lust zum Rechnen hat, kann die relative Luftfeuchte auf einer Psychrometertabelle abgelesen.

Genauer ist es allerdings, die exakte Luftfeuchte aus beiden Temperaturwerten, dem Luftdruck und einer Psychrometerkonstante zu errechnen. Die dazu gehörige Physik ist bereits in unzähligen Artikeln beschrieben worden, sodass ich mir erlaube, der Einfachheit halber auf Wikipedia/Luftfeuchtigkeit und Wikipedia/Psychrometer zu verweisen.

Grundlegend ist die Psychrometerformel oder Sprung-Formel, welche den Zusammenhang zwischen dem Dampfdruck e, der psychrometrischen Differenz (t-t'), dem Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur des feuchten Thermometers E', dem Luftdruck p und einem konstanten spezifischen Psychrometerkoeffizienten (Psychrometerkonstante) C beschreibt:

e = E' - [ C x p x ( t - t' )]

Die relative Feuchte f ist dann das Verhältnis des aktuellen Wasserdampfdruckes e zum Sättigungsdampfdruck E' bei der herrschenden Lufttemperatur t:

E' = 6,1078 x exp [( 17,08085 x t ) / ( 234,175 + t )]

f = e / E'

Soweit die Theorie. Nun die Praxis.

Verwendete Hardware:
Temperatursensoren: Dallas DS18B20
Mikrocontroller: Arduino UNO

Den verbauten DS18B20 habe ich gewählt, da er sehr gut mit dem Arduino-Mikrocontroller zusammenarbeitet, einfach zu programmieren ist und ein hohe Messgenauigkeit bei einer akzeptablen Toleranz besitzt. Die Toleranz der Thermometer von +/- 0,5°C führt innerhalb der Berechnungen zu einer Ungenauigkeit bei der relativen Feuchte von +/- 0,6%. Das ist für ein Feuchtemessgerät ein hervorragender Wert und für mich ausreichend. Selbst wenn es etwas mehr sein sollte.

Der Schaltplan selber ist äußerst simpel und bedarf keiner weiteren Erklärung.



Und die zur Berechnung der relativen Luftfeuchte notwendige Software ist dann letztendlich nur noch eine Fingerübung, zumal ich auf ein eigenes Display verzichtet habe und die Messwerte via USB-Port auf dem Laptop anzeigen lasse.

Nachtrag 29.11.2016:
Wie bei einem Schleuder-Psychriometer ist auch hier für einen Luftstrom von ca. 2 m/s zu sorgen. Nur so kann die einwandfreie Funktion sichergestellt werden. In meinem Humidorschrank steht das Psychrometer immer im Luftstrom des Umluftlüfters, den ich zu diesem Zweck auf Dauerfunktion schalte.