Feuchtekalibrierung: Sensoren, Referenzen und Messunsicherheit

Die Kalibrierung eines Sensors für relative Feuchte erfordert einen Vergleich unter definierten Bedingungen, insbesondere der Temperatur. Unterschiedliche Anzeigen an thermisch unterschiedlichen Orten belegen allein keine Messabweichung des Fühlers. Messkette identifizieren, einen Referenzwert mit Messunsicherheit zuordnen und nachweisen, dass die verglichenen Werte kompatible Bedingungen beschreiben.

1. Relative Feuchte und Temperatur gehören zusammen

Die relative Feuchte, hier als r. F. bezeichnet, beschreibt das Verhältnis zwischen Wasserdampfpartialdruck und Sättigungsdampfdruck unter den festgelegten Bedingungen. Die Temperatur verändert den Sättigungsbezug: Bei konstantem Wasserdampfpartialdruck sinkt die relative Feuchte mit steigender Temperatur. Die Angabe „50 %“ allein beschreibt daher keinen vollständigen Kalibrierpunkt.

Taupunkt, Frostpunkt und Wasserdampfkonzentration sind unterschiedliche Größen. Die Umrechnung in relative Feuchte benötigt Gastemperatur, ein geeignetes Modell und gegebenenfalls Druckkorrekturen; bei niedrigen Temperaturen ist auch der Bezug auf Wasser oder Eis relevant. Einen berechneten Wert nicht ohne Bewertung der örtlichen Bedingungen auf eine andere Position übertragen.

2. Messkette und Referenz festlegen

Fühler, Schutzfilter, Anzeige, Kanal, Kabel, Ausgang und Einstellungen identifizieren. Klären, ob das Ergebnis die Anzeige, das Analogsignal oder den im System aufgezeichneten Wert betrifft. Eine elektronische Eingangsprüfung charakterisiert weder das Sensorelement noch dessen Kontakt mit der Luft. Auch der zur Umrechnung verwendete Temperatursensor benötigt geeignete Nachweise.

Ein Druck-/Temperaturgenerator stellt Bedingungen anhand gemessener Größen und eines Modells her. Ein Taupunktspiegelhygrometer misst den Taupunkt; zur Ermittlung der relativen Feuchte wird zusätzlich die Gastemperatur benötigt. Ein Referenzfühler für relative Feuchte ermöglicht den direkten Vergleich, setzt aber Kenntnisse über Korrekturen, Messunsicherheit, Drift und Hysterese voraus. Der Kammersollwert ersetzt diese Nachweise nicht.

Salzlösungen erzeugen temperaturabhängige Gleichgewichtsbedingungen: Der Tabellenwert ist nicht exakt und beschreibt nicht automatisch das tatsächliche Gefäß. Zusammensetzung, Lösungszustand, Dichtheit, Kontamination und Gleichgewicht sind relevant. DKD-R 5-8 akzeptiert Salzlösungen innerhalb des eigenen Verfahrens nicht als Weg zur metrologischen Rückführung, lässt jedoch Anwendungen für Zwischenprüfungen und zur Erzeugung mit separater Referenz zu. Diese methodische Festlegung ist kein allgemeines GMP-Verbot.

3. Checkliste: Ist der Vergleich auswertbar?

Die folgende eigenständige Checkliste verbindet wichtige Prüfungen mit konkreten Entscheidungen. Ihre Bearbeitung vor der Bewertung einer Abweichung verhindert Justierungen, die den Prüfaufbau statt des Sensors kompensieren.

Eine leere Kammer und eine mit warmen Geräten beladene Kammer können unterschiedliche Bedingungen erzeugen. Auch stabile Anzeigen können zwischen zwei Positionen dauerhaft voneinander abweichen. Kontakt mit Flüssigkeiten oder Salzaerosolen vermeiden und Sicherheits- sowie Kompatibilitätsbedingungen des Aufbaus beachten.

4. Punkte, Ansprechverhalten und Hysterese

Einsatzrelevante Feuchtewerte und Temperaturen, Verfahren, Reihenfolge, Wiederholungen und Gleichgewichtskriterien vereinbaren. Keine Punktfolge eignet sich für jeden Sensor. Eine Kalibrierung bei Raumtemperatur belegt nicht automatisch die Leistung bei deutlich abweichenden Einsatztemperaturen.

Das Anfahren jedes Punkts dokumentieren: Die Reaktion kann von der vorherigen Feuchte abhängen. Eine ausschließlich aufsteigende Folge quantifiziert nicht zwangsläufig die Hysterese, also den Antwortunterschied beim Erreichen desselben Werts aus entgegengesetzten Richtungen. Diesen Einfluss von Wiederholpräzision und Ansprechzeit unterscheiden. Unterschiedliche Verläufe nicht unterschiedslos mitteln; ihre Darstellung oder Berücksichtigung in der Messunsicherheit erklären.

Das Stabilitätskriterium muss Referenz und Gerät berücksichtigen, nicht nur den Regler. Mehr aufeinanderfolgende Messwerte sind nicht immer unabhängige Beobachtungen: Schnellere Erfassung beseitigt weder Drift noch Korrelation. Zeitpunkte, Bedingungen und Gründe für verfahrensgemäße Ausschlüsse aufbewahren.

5. Einheiten und Messunsicherheit: simuliertes Beispiel

Wir definieren die Messabweichung als e = Anzeige − Referenz und die Korrektur als c = −e. Wird relative Feuchte in Prozent angegeben, wird die Differenz in Prozentpunkten relativer Feuchte ausgedrückt. Die relative Messabweichung erfordert dagegen die Division durch den Referenzwert. „1 % Fehler“ allein lässt eine entscheidende Mehrdeutigkeit offen.

Im simulierten Beispiel zeigt die Referenz 51,0 % r. F. in einer Zone bei 25 °C; der Prüfling zeigt 48,0 % r. F. in einer Zone bei 26 °C. Die scheinbare Differenz beträgt −3,0 Prozentpunkte. Sie darf weder vollständig dem Sensor zugeschrieben noch durch eine willkürliche Temperaturkorrektur vermindert werden. Örtliche Messungen, eine Charakterisierung des Volumens und ein kontrollierter Vergleich sind nötig; die ursprünglichen Daten bleiben erhalten.

Nach Dokumentation vergleichbarer Bedingungen bei 25 °C beträgt der Referenzwert 50,0 % r. F., die Anzeige 50,6 % r. F.: e = +0,6 Prozentpunkte, c = −0,6 Prozentpunkte. Die relative Messabweichung ist 0,6 / 50,0 × 100 = +1,2 %. Die simulierte erweiterte Messunsicherheit beträgt U = 0,8 Prozentpunkte bei k = 2: nicht 0,8 % des Anzeigewerts.

Angenommen, für diesen Punkt wurde folgende Regel vereinbart: |e| + U ≤ 2,0 Prozentpunkte. Das Ergebnis ist 1,4 ≤ 2,0. Es erfüllt das simulierte Kriterium nur unter den betrachteten Bedingungen; es belegt weder den gesamten Bereich noch erlaubt es eine nachträgliche Änderung der Regel.

Das Budget muss relevante Beiträge aus Referenz, Temperatur und Gradienten, Stabilität, Auflösung, Wiederholpräzision, Drift und Hysterese bewerten. Beiträge über das Modell in dieselbe Einheit umrechnen; Korrelationen und bereits enthaltene Komponenten berücksichtigen. Die Messunsicherheit des Kalibrierscheins deckt spätere Nutzung, Kontamination oder eine andere Montage nicht automatisch ab.

6. Vom Bericht zum Einsatz

Der Bericht muss Gegenstand, Konfiguration, Methode, Feuchte-/Temperaturpunkte, Ergebnisse, Messunsicherheiten, Erweiterungsfaktor und Hysteresebehandlung nachvollziehbar machen. Bei einer Justierung Ergebnisse vor und nach dem Eingriff trennen. Festlegen, wo Korrekturen angewendet werden: Eine dokumentierte, aber im System nicht umgesetzte Korrektur verändert den aufgezeichneten Wert nicht.

Autorisierte Funktionen bestimmen zulässige Einsätze und Prüfungen entsprechend Risiko und Historie. Filterwechsel, Kondensations- oder Lösemittelexposition, Wartung und Drift bewerten. Eine nützliche Zwischenprüfung benötigt bekannte Referenzen und Bedingungen; der Vergleich zweier ähnlich kontaminierter Fühler kann ein gemeinsames Problem übersehen.

Weitere Informationen bieten die Kalibrierung der Temperaturmesskette und das Messunsicherheitsbudget. Qualifizierung und Mapping der Kammer bleiben eine gesonderte Bewertung. Weitere Themen finden Sie im Hub Kalibrierung und Labormetrologie.

7. Quellen und Geltungsbereich

Geprüft: 1. Oktober 2026. Technische Leitfäden gelten in ihrem jeweiligen Anwendungsbereich; Checkliste und Beispiel sind eigenständige GuideGxP-Inhalte und keine allgemeingültige Verfahrensanweisung.

1. PTB/DKD-R 5-8, Revision 0, englische Ausgabe Oktober 2019 — Kalibrierung von Hygrometern für relative Feuchte, Referenzen, Bedingungen und Abläufe; im aktuellen offiziellen Katalog verlinkte Ausgabe.
2. L. Greenspan, NBS, Humidity Fixed Points of Binary Saturated Aqueous Solutions, 1977, 81A(1), 89–96 — historische wissenschaftliche Untersuchung zu Gleichgewicht, Temperatur und Unsicherheiten gesättigter Lösungen.