Welche Arten von Feuchtigkeitssensoren gibt es?
Kapazitiver Feuchtigkeitssensor
Funktionsprinzip
Der kapazitive Feuchtigkeitssensor ist ein kleiner Kondensator aus hygroskopischem dielektrischem Material, der zwischen einem Elektrodenpaar angeordnet ist. Die meisten kapazitiven Sensoren verwenden Kunststoff oder Polymer als dielektrisches Material mit einer typischen Dielektrizitätskonstante im Bereich von 2 bis 15. Diese Konstante und die Geometrie des Sensors bestimmen den Wert der Kapazität.
Bei normaler Raumtemperatur hat die Dielektrizitätskonstante von Wasserdampf einen Wert von etwa 80, ein Wert, der viel größer ist als die Konstante des dielektrischen Materials des Sensors. Daher führt die Aufnahme von Feuchtigkeit durch den Sensor zu einer Erhöhung der Kapazität des Sensors. Unter Gleichgewichtsbedingungen hängt die in einem Material vorhandene Feuchtigkeitsmenge sowohl von der Umgebungstemperatur als auch vom Umgebungswasserdampfdruck ab. Dies gilt auch für das im Sensor verwendete hygroskopische dielektrische Material.
Per Definition ist die relative Luftfeuchtigkeit eine Funktion sowohl der Umgebungstemperatur als auch des Wasserdampfdrucks. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der relativen Luftfeuchtigkeit, der im Sensor vorhandenen Feuchtigkeitsmenge und der Kapazität des Sensors. Diese Beziehung ist die Grundlage für den Betrieb eines kapazitiven Feuchtigkeitsinstruments.
Wir wissen, dass die relative Luftfeuchtigkeit das Verhältnis des tatsächlichen Wasserdampfdrucks zum maximal möglichen Wasserdampfdruck (gesättigter Dampfdruck) bei einer bestimmten Temperatur ist. Das dielektrische Material variiert mit einer Geschwindigkeit, die mit der Variation der relativen Feuchtigkeit zusammenhängt.
Kette und Leistung messen
In einem Hygrometer mit kapazitivem Sensor wird die Luftfeuchtigkeit durch einen Kettenprozess gemessen, anstatt direkt erfasst zu werden. Die Kette besteht aus folgenden Komponenten:
1. Kapazitiver Sensor
2. Sonde
3. Kabel
4. Elektronik
5. Ausgangssignal
Die Leistung des Instruments wird von allen Elementen der Kette und nicht nur vom Sensor bestimmt. Der Sensor und die zugehörige Elektronik können nicht getrennt betrachtet werden. Jeder Faktor, der den Kettenmessprozess stören könnte, wirkt sich wahrscheinlich auf die Leistung des Instruments aus.
Fehler und Unsicherheiten
Klassifizierung von Fehlern, die die endgültige Unsicherheit eines Hygrometers mit kapazitivem Sensor beeinflussen. Messfehler können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden:
Systematische Fehler sind vorhersehbar und reproduzierbar. Fehler aufgrund von Nichtlinearität des Instruments oder Temperatureffekten fallen in diese Kategorie. Systematische Fehler sind instrumentenspezifisch.
Zufällige Fehler sind nicht vollständig vorhersehbar, da sie hauptsächlich von Faktoren außerhalb des Instruments abhängen. Fehler, die aus der Sensorhysterese resultieren, sowie solche, die aus der Kalibrierung resultieren, sind zufällige Fehler. In der Regel werden zufällige Fehler auf der Grundlage statistischer Daten oder auf der Grundlage von Erfahrung und Beurteilung geschätzt.
Da sie vorhersehbar sind, können systematische Fehler möglicherweise beseitigt werden. Zufällige Fehler können jedoch nicht vollständig beseitigt werden.
Linearitätsfehler. Die typische Reaktion eines kapazitiven Sensors für relative Luftfeuchtigkeit (zwischen 0 und 100% relativer Luftfeuchtigkeit) ist nicht linear. Abhängig von der durch die elektronischen Schaltungen vorgenommenen Korrektur kann das Instrument einen Linearitätsfehler aufweisen. Unter der Annahme, dass der Sensor und die zugehörige Elektronik reproduzierbare Eigenschaften aufweisen, ist der Linearitätsfehler ein systematischer Fehler.
Typischerweise werden die vom Hersteller des Instruments zur Kalibrierung empfohlenen Messpunkte bestimmt, um den Linearitätsfehler zu minimieren. Die Kalibrierung an diesen Punkten sollte eine mehr und weniger gleichmäßige Verteilung des Linearitätsfehlers ergeben.
Temperaturfehler. Die Temperatur kann einen großen Einfluss auf mehrere Elemente des oben beschriebenen Kettenmessprozesses haben. Die hygroskopischen Eigenschaften des Sensors variieren mit der Temperatur. Ein Instrument für relative Luftfeuchtigkeit funktioniert korrekt, wenn angenommen wird, dass die Beziehung zwischen der im Sensordielektrikum vorhandenen Feuchtigkeitsmenge und der relativen Luftfeuchtigkeit konstant ist. Bei den meisten hygroskopischen Materialien variiert diese Beziehung jedoch mit der Temperatur.
Dielektrische Eigenschaften
Die dielektrischen Eigenschaften des Wassermoleküls werden von der Temperatur beeinflusst. Bei 20 ° C hat die Dielektrizitätskonstante von Wasser einen Wert von etwa 80. Diese Konstante nimmt bei 8 ° C um mehr als 0% zu und bei 30 ° C um 100% ab. Ähnliche Effekte können mit beobachtet werden betrifft andere physikalische Eigenschaften von Wasser wie die elektrische Leitfähigkeit.
Die dielektrischen Eigenschaften des Sensors variieren ebenfalls mit der Temperatur. Die Dielektrizitätskonstante der meisten dielektrischen Materialien nimmt mit steigender Temperatur ab. Der Einfluss der Temperatur auf die dielektrischen Eigenschaften der meisten Kunststoffe und Polymere ist im Allgemeinen geringer.
Thermischer Feuchtigkeitssensor
Zwei Wärmesensoren leiten Elektrizität entsprechend der Luftfeuchtigkeit. Ein Sensor ist in trockenem Stickstoff eingeschlossen, während der andere die Umgebungsluft misst. Der Unterschied zwischen den beiden misst die Luftfeuchtigkeit.
Widerstandsfeuchtigkeitssensor
Funktionsprinzip
Widerstandsfeuchtigkeitssensoren messen die Änderung der elektrischen Impedanz eines hygroskopischen Mediums wie eines leitfähigen Polymers, Salzes oder eines behandelten Substrats.
Widerstandssensoren basieren auf einer interdigitalen oder Zweidrahtwicklung. Nach dem Abscheiden einer hydroskopischen Polymerbeschichtung ändert sich ihr Widerstand umgekehrt mit der Feuchtigkeit. Die Änderung der Impedanz ist im Allgemeinen eine umgekehrte exponentielle Beziehung zur Feuchtigkeit.
Resistive Sensoren bestehen im Allgemeinen aus Edelmetallelektroden, die durch Fotolacktechniken auf einem Substrat abgeschieden wurden, oder Elektroden, die auf einen Kunststoff- oder Glaszylinder gewickelt sind. Das Substrat ist mit einem Salz oder einem leitfähigen Polymer bedeckt. Alternativ kann das Substrat mit aktivierenden Chemikalien wie Säure behandelt werden.
Der Sensor absorbiert Wasserdampf und die ionischen funktionellen Gruppen werden dissoziiert, was die elektrische Leitfähigkeit erhöht. Die Reaktionszeit der meisten Widerstandssensoren variiert zwischen 10 und 30 s, um 63% des tatsächlichen Werts zu erreichen. Der Impedanzbereich typischer Widerstandselemente reicht von 1 Ohm bis 000 Ohm.
Die meisten Widerstandssensoren verwenden eine ausgeglichene Wechselstromerregerspannung ohne Gleichstromvorspannung, um eine Sensorvorspannung zu verhindern. Diese Antwort kann durch analoge oder digitale Methoden linearisiert werden. Der typische variable Widerstand reicht von einigen Kiloohm bis 100 Mohm. Die nominelle Erregerfrequenz beträgt 30 Hz bis 10 kHz.
Sensorkalibrierung und Genauigkeit
Der "resistive" Sensor ist nicht rein resistiv, da die kapazitiven Effekte die Reaktion zu einer Impedanzmessung machen. Ein deutlicher Vorteil von resistiven RH-Sensoren ist ihre Austauschbarkeit, im Allgemeinen innerhalb von plus oder minus 2% RH, wodurch elektronische Signalaufbereitungsschaltungen durch einen Widerstand an einem festen RH-Punkt kalibriert werden können. Dadurch sind keine Feuchtigkeitskalibrierungsstandards erforderlich, sodass resistive Feuchtigkeitssensoren im Allgemeinen vor Ort austauschbar sind.
Die Genauigkeit einzelner Widerstandsfeuchtigkeitssensoren kann durch Testen in einer RH-Kalibrierungskammer oder durch ein computergestütztes DA-System bestätigt werden, auf das in einer standardisierten feuchtigkeitsgesteuerten Umgebung verwiesen wird. Die Nennbetriebstemperatur der Widerstandssensoren variiert zwischen -40 ° C und 100 ° C.
Lebensdauer des Sensors
In Wohn- und Geschäftsumgebungen beträgt die Lebenserwartung dieser Sensoren> 5 Jahre. Die Exposition gegenüber chemischen Dämpfen und anderen Verunreinigungen wie Ölnebel kann jedoch zu vorzeitigem Ausfall führen. Ein weiterer Nachteil einiger Widerstandssensoren ist ihre Tendenz, Werte zu verschieben, wenn sie Kondensation ausgesetzt werden, wenn eine wasserlösliche Beschichtung verwendet wird.
Widerstandsfeuchtigkeitssensoren weisen erhebliche Temperaturabhängigkeiten auf, wenn sie in einer Umgebung mit großen Temperaturschwankungen installiert werden. Die gleichzeitige Temperaturkompensation ist für mehr Präzision integriert. Die geringe Größe, die geringen Kosten, die Austauschbarkeit und die Langzeitstabilität machen diese Widerstandssensoren für den Einsatz in Steuerungs- und Anzeigeprodukten für Industrie-, Gewerbe- und Wohnanwendungen geeignet.
Überprüfung des Betriebs im Laufe der Zeit
Genauigkeit
Jeder Sensor muss eine eigene Kalibrierungskurve haben, die auf einem 9-Punkt-System basiert.
Wiederholbarkeit
Die Messungen eines Sensors müssen so durchgeführt werden, dass sie nicht abweichen. Die Wiederholbarkeit ist das sukzessive Maß für die Drift zwischen Maßen einer einzelnen Größe.
Linearität
Es zeigt die Spannungsabweichung vom BFSL-Wert und dem gemessenen Ausgangsspannungswert an, umgerechnet in relative Luftfeuchtigkeit.
Fiabilité
Messungen führen häufig zu einer Desynchronisation des Sensors. Damit ein Sensor jedoch nützlich ist, muss er zuverlässige Messungen liefern.
Ansprechzeit
Im Allgemeinen wird die Zeit, die ein Sensor benötigt, um 66% (Anstiegszeit) oder 33% (Abfallzeit) der maximalen Ausgangsspannung zu erreichen, als Reaktionszeit bezeichnet.
Anwendung von Sensoren
Die Anwendungen von Feuchtigkeitssensoren sind sehr vielfältig. Menschen mit Krankheiten, die von Feuchtigkeit, Überwachung und vorbeugenden Maßnahmen in Privathaushalten betroffen sind, verwenden Feuchtigkeitssensoren. Ein Feuchtigkeitssensor ist auch Teil der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC-Systeme). Diese werden auch in Büros, Autos, Luftbefeuchtern, Museen, Industrieräumen und Gewächshäusern verwendet und werden auch in Wetterstationen verwendet, um das Wetter zu melden und vorherzusagen.