Feuchtesensor

Das Thermometer-Hygrometer im Wohnzimmer, die Lüftungsanlage im Bad, die Klimaautomatik im Auto, die Wetterstation auf dem Balkon und der Drucker, der sein Papier richtig behandeln will: Sie alle messen die Luftfeuchte. Dafür sitzt heute meist ein winziger Chip mit einem Loch im Gehäuse auf der Platine – ein kapazitiver Feuchtesensor, der gleich auch die Temperatur misst und beides als Zahl über I²C liefert. Damit er richtig misst, musst du aber einiges über Feuchte und Temperatur wissen.

Was gemessen wird: relative Feuchte

Luft kann je nach Temperatur nur eine bestimmte Menge Wasserdampf aufnehmen. Diese Grenze beschreibt der Sättigungsdampfdruck e_s; er steigt mit der Temperatur stark an, um rund 6 bis 7 % je Kelvin. Die relative Luftfeuchte (rF, englisch RH) gibt an, wie viel Prozent davon tatsächlich vorhanden sind:

Mit e ist der tatsächliche Dampfdruck gemeint. 100 % heißt: Die Luft ist gesättigt, Wasser kondensiert. Kühlt Luft ab, ohne dass sich ihr Wassergehalt ändert, steigt die relative Feuchte – bis zum Taupunkt, an dem sie 100 % erreicht. Deshalb beschlagen kalte Fensterscheiben und Flaschen aus dem Kühlschrank.

Für die Praxis gilt die Magnus-Formel; sie gibt den Sättigungsdampfdruck über Wasser an:

Aufbau und Funktionsweise

Kapazitiver Sensor

Der verbreitetste Typ ist ein kleiner Kondensator: Auf einem Siliziumchip liegt eine untere Elektrode, darauf eine dünne Schicht aus einem Polymer (meist Polyimid) als Dielektrikum, darüber eine poröse obere Elektrode, durch die Wasserdampf eindringen kann. Das Polymer nimmt je nach Luftfeuchte mehr oder weniger Wassermoleküle auf. Wasser hat eine sehr hohe Permittivität (etwa 80 gegenüber 3 bis 4 beim Polymer), deshalb steigt die Kapazität mit der Feuchte – fast linear über den ganzen Bereich von 0 bis 100 %.

Die Kapazität liegt im Bereich von einigen hundert Picofarad und ändert sich nur um Bruchteile davon. Deshalb sitzt die Auswertung direkt auf demselben Chip: Messschaltung, AD-Wandler, ein Temperatursensor für die Kompensation, ein Speicher mit den Kalibrierwerten aus dem Werk und eine I²C-Schnittstelle. Viele Typen haben dazu ein kleines Heizelement, mit dem du den Sensor nach Betauung trocknen kannst.

Resistiver Sensor

Billige Sensoren wie der DHT11 nutzen ein feuchteempfindliches Material, dessen Widerstand mit steigender Feuchte stark sinkt – über mehrere Größenordnungen, also sehr nichtlinear. Gemessen wird mit Wechselspannung, damit sich das Material nicht elektrolytisch zersetzt. Resistive Sensoren sind ungenauer, langsamer und vertragen sehr trockene oder sehr feuchte Luft schlecht.

Schaltzeichen

Ein Schaltzeichen gibt es nur für integrierte Bausteine: ein IC-Rechteck mit VDD, GND, SDA und SCL. Bei Modulen wie DHT22 zusätzlich eine einzelne Datenleitung. Mehr unter Schaltzeichen.

Kennwerte und Typen

Weitere wichtige Werte:

• Ansprechzeit (τ63): Bei guten Sensoren wenige Sekunden, beim fertigen Gerät durch Gehäuse und Filterkappe oft eine Minute und mehr.
• Hysterese und Langzeitdrift: Ein Sensor, der lange bei sehr hoher Feuchte war, zeigt danach eine Zeit lang etwas zu viel an. Typische Drift liegt unter 0,25 %rF pro Jahr bei guten Typen.
• Stromaufnahme: Ein SHT45 mit einer Messung je Sekunde nimmt im Mittel nur rund 0,4 µA auf – gut für Batteriegeräte.

Die Temperatur entscheidet

Weil der Sättigungsdampfdruck so stark von der Temperatur abhängt, misst ein Feuchtesensor nur die Feuchte an seiner eigenen Temperatur. Ist er wärmer als die Luft, die du messen willst, zeigt er zu wenig an.

Bauformen

• DFN-Gehäuse von etwa 1,5 × 1,5 mm mit Öffnung über dem Sensorelement, optional mit aufgeschweißter PTFE-Membran als Schutz gegen Staub und Spritzwasser.
• LGA-Gehäuse mit Metalldeckel und Loch, etwa der BME280, der auch Luftdruck misst.
• Module mit Kunststoffgitter, wie DHT11 (blau) und DHT22 (weiß), mit drei oder vier Beinen.
• Bodenfeuchtesensoren: Stäbe, die die Kapazität des Bodens messen. Billige resistive Gabeln mit zwei blanken Elektroden korrodieren im feuchten Boden schnell; kapazitive Stäbe mit isolierten Elektroden halten deutlich länger.

Typische Anwendung

Ein I²C-Feuchtesensor braucht nur Versorgung, Masse, SDA und SCL mit Pull-up-Widerständen – die legst du für den Bus mit dem Rechner I²C-Pull-up aus – sowie einen Abblockkondensator von 100 nF. Typische Anwendungen sind Lüftungssteuerung nach Taupunkt, Schimmelwarnung, Klimaüberwachung im Lager und Gewächshaus. In Kombination mit einem Gassensor entsteht ein Raumluftmonitor.

Auswahl und Praxistipps

Wähle die Genauigkeit passend zur Aufgabe: Für „Bad lüften ja/nein“ reichen ±3 %, für Archive und Museen brauchst du ±1 % und eine Kalibrierung. Plane das Gehäuse mit: Der Sensor braucht Kontakt zur Umgebungsluft, aber Schutz vor Spritzwasser und Staub; eine passende Schutzart ist unter IP-Schutzarten erklärt.

Häufige Fehler:

• Sensor in der Wärme: Siehe Beispiel. Abstand zu Regler, Prozessor und Funkmodul, Schlitz in der Platine, keine Kupferflächen zum Rest der Schaltung. Mehr zum Wärmefluss unter Wärme und Kühlung.
• Schutzlack über der Öffnung: Ein Konformlack oder Vergussmasse verschließt das Sensorelement. Abdecken oder Typ mit Membran wählen.
• Lösemittel und Ausgasungen: Klebstoffe, Silikone und Reinigungsmittel lagern sich im Polymer ein und verschieben den Messwert. Nicht mit Isopropanol waschen, wenn das Datenblatt es verbietet.
• Löten ohne Nachbehandlung: Nach dem Reflowlöten zeigen viele Sensoren einige Prozent zu wenig an. Das Datenblatt beschreibt eine Erholung, etwa einige Tage bei Raumklima oder eine Wärmebehandlung mit anschließender Befeuchtung.
• Zu häufiges Messen: Jede Messung erwärmt den Chip minimal. Bei Messung im Sekundentakt mit hoher Wiederholgenauigkeit ist das schon spürbar.

Selbsttest