umiditate

Ce este un senzor de umiditate?

Un senzor de umiditate (sau higrometru) detectează, măsoară și raportează atât umiditatea, cât și temperatura aerului. Raportul dintre umiditatea din aer și cea mai mare cantitate de umiditate la o anumită temperatură a aerului se numește umiditate relativă. Umiditatea relativă devine un factor important atunci când caută confort.

Senzorii de umiditate funcționează prin detectarea modificărilor care modifică curenții electrici sau temperatura din aer.

Citeste mai mult

Care sunt tipurile de senzori de umiditate?

Senzor de umiditate capacitiv

Principiul de funcționare

Senzorul de umiditate capacitiv este un condensator mic dintr-un material dielectric higroscopic plasat între o pereche de electrozi. Majoritatea senzorilor capacitivi folosesc un material plastic sau polimer ca material dielectric, cu o constantă dielectrică tipică variind de la 2 la 15. Această constantă și geometria senzorului determină valoarea capacității.

La temperatura camerei normale, constanta dielectrică a vaporilor de apă are o valoare de aproximativ 80, o valoare mult mai mare decât constanta materialului dielectric al senzorului. Prin urmare, absorbția umezelii de către senzor are ca rezultat o creștere a capacității senzorului. În condiții de echilibru, cantitatea de umiditate prezentă într-un material depinde atât de temperatura ambiantă, cât și de presiunea de vapori de apă ambiantă. Acest lucru se aplică și materialului dielectric higroscopic utilizat în senzor.

Prin definiție, umiditatea relativă este o funcție atât a temperaturii ambiante, cât și a presiunii vaporilor de apă. Există o relație directă între umiditatea relativă, cantitatea de umiditate prezentă în senzor și capacitatea senzorului. Această relație este baza funcționării unui instrument de umiditate capacitivă.

Știm că umiditatea relativă este raportul dintre presiunea efectivă a vaporilor de apă și presiunea maximă a vaporilor de apă (presiunea saturată a vaporilor) posibilă la o temperatură dată. Materialul dielectric variază la o rată legată de modificarea umidității relative.

Lanț de măsurare și performanță

Într-un higrometru care utilizează un senzor capacitiv, umiditatea este măsurată printr-un proces în lanț în loc să fie detectată direct. Lanțul este alcătuit din următoarele componente:

1. Senzor capacitiv

2. Sonda

3. Cablu

4. Electronică

5. Semnal de ieșire


Performanța instrumentului este determinată de toate elementele din lanț, nu doar de senzor. Senzorul și electronica asociată nu pot fi luate în considerare separat. Orice factor care ar putea interfera cu procesul de măsurare pe lanț poate afecta performanța instrumentului.

Erori și incertitudini

Clasificarea erorilor care afectează incertitudinea finală a unui higrometru cu senzor capacitiv. Erorile de măsurare pot fi împărțite în două mari categorii:

Erorile sistematice sunt previzibile și reproductibile. Erorile rezultate din neliniaritatea instrumentului sau efectele de temperatură se încadrează în această categorie. Erorile sistematice sunt specifice instrumentului.

Erorile aleatorii nu sunt în întregime previzibile, deoarece depind în principal de factori externi instrumentului. Erorile rezultate din histerezisul senzorilor, precum și cele rezultate din calibrare, sunt erori aleatorii. De obicei, erorile aleatorii sunt estimate pe baza datelor statistice sau pe baza experienței și a judecății.

Deoarece sunt previzibile, erorile sistematice pot fi potențial eliminate. Cu toate acestea, erorile aleatorii nu pot fi eliminate complet.

Erori de linearitate. Răspunsul tipic al unui senzor de umiditate relativă capacitiv (între 0 și 100% HR) nu este liniar. În funcție de corecția efectuată de circuitele electronice, instrumentul poate avea o eroare de liniaritate. Presupunând că senzorul și electronica asociată prezintă caracteristici reproductibile, eroarea de liniaritate este o eroare sistematică.

De obicei, punctele de măsurare recomandate de producătorul instrumentului pentru calibrare sunt determinate pentru a minimiza eroarea de liniaritate. Calibrarea în aceste puncte ar trebui să producă o distribuție tot mai puțin egală a erorii de liniaritate.

Erori de temperatură. Temperatura poate avea un efect major asupra mai multor elemente ale procesului de măsurare a lanțului descris mai sus. Proprietățile higroscopice ale senzorului variază în funcție de temperatură. Un instrument de umiditate relativă funcționează corect pe baza presupunerii că relația dintre cantitatea de umiditate prezentă în senzorul dielectric și umiditatea relativă este constantă. Cu toate acestea, în majoritatea materialelor higroscopice această relație variază în funcție de temperatură.

Proprietăți dielectrice

Proprietățile dielectrice ale moleculei de apă sunt afectate de temperatură. La 20 ° C, constanta dielectrică a apei are o valoare de aproximativ 80. Această constantă crește cu mai mult de 8% la 0 ° C și scade cu 30% la 100 ° C. Efecte similare pot fi observate în ceea ce privește alte aspecte fizice. proprietățile apei, cum ar fi conductivitatea electrică.


Proprietățile dielectrice ale senzorului variază, de asemenea, în funcție de temperatură. Constanta dielectrică a majorității materialelor dielectrice scade odată cu creșterea temperaturii. Efectul temperaturii asupra proprietăților dielectrice ale majorității materialelor plastice și polimerilor este în general mai limitat.

Senzor de umiditate termică

Doi senzori termici conduc electricitatea în funcție de umiditatea aerului ambiant. Un senzor este închis în azot uscat, în timp ce celălalt măsoară aerul ambiant. Diferența dintre cele două măsoară umiditatea.

Senzor rezistiv de umiditate

Principiul de funcționare

Senzorii de umiditate rezistivi măsoară schimbarea impedanței electrice a unui mediu higroscopic, cum ar fi un polimer conductiv, sare sau un substrat tratat.

Senzorii rezistenți se bazează pe o înfășurare interdigitală sau cu două fire. După depunerea unui strat de polimer hidroscopic, rezistența acestora se schimbă invers cu umiditatea. Schimbarea impedanței este, în general, o relație exponențială inversă cu umiditatea.

Senzorii rezistenți constau în general din electrozi metalici nobili depuși pe un substrat prin tehnici de fotorezistență sau din electrozi înfășurați pe un cilindru din plastic sau sticlă. Substratul este acoperit cu o sare sau un polimer conductiv. Alternativ, substratul poate fi tratat cu substanțe chimice care activează, cum ar fi acidul.

Senzorul absoarbe vapori de apă și grupurile funcționale ionice sunt disociate, rezultând o creștere a conductivității electrice. Timpul de răspuns al majorității senzorilor rezistivi variază de la 10 la 30 s pentru a ajunge la 63% din valoarea reală. Gama de impedanță a elementelor rezistive tipice este de la 1 ohmi la 000 ohmi.

Majoritatea senzorilor rezistivi utilizează o tensiune de acționare simetrică AC fără polarizare DC pentru a preveni polarizarea senzorului. Acest răspuns poate fi liniarizat prin metode analogice sau digitale. Rezistența variabilă tipică variază de la câțiva kilohmi la 100 Mohms. Frecvența nominală de excitație este de 30 Hz la 10 kHz.

Calibrarea și precizia senzorului 

Senzorul "rezistiv" nu este pur rezistiv în sensul că efectele capacitive fac din răspuns o măsură de impedanță. Un avantaj distinct al senzorilor RH rezistivi este interschimbabilitatea lor, de obicei în plus sau minus 2% RH, care permite calibrarea circuitelor electronice de condiționare a semnalului printr-un rezistor la un punct RH fix. Aceasta elimină necesitatea standardelor de calibrare a umidității, astfel încât senzorii de umiditate rezistivi sunt în general înlocuiți pe câmp.

Acuratețea senzorilor rezistenți individuali de umiditate poate fi confirmată prin testarea într-o cameră de calibrare RH sau printr-un sistem DA computerizat la care se face referire într-un mediu standardizat controlat de umiditate. Temperatura nominală de funcționare a senzorilor rezistenți variază de la -40 grade C la 100 grade C.

Viața senzorului

În mediile rezidențiale și comerciale, speranța de viață a acestor senzori este> 5 ani, dar expunerea la vapori chimici și la alți contaminanți, cum ar fi ceața de ulei, poate provoca defecțiuni premature. Un alt dezavantaj al unor senzori rezistenți este tendința lor de a schimba valorile atunci când sunt expuse la condens dacă este utilizat un strat solubil în apă.

Senzorii de umiditate rezistivi au dependențe semnificative de temperatură atunci când sunt instalați într-un mediu cu fluctuații mari de temperatură. Compensarea simultană a temperaturii este încorporată pentru mai multă precizie. Dimensiunea redusă, costul redus, interschimbabilitatea și stabilitatea pe termen lung fac ca acești senzori rezistivi să fie adecvați pentru utilizarea în produse de control și afișare pentru aplicații industriale, comerciale și rezidențiale.

Verificare funcțională în timp

Precizie

Fiecare senzor ar trebui să aibă propria curbă de calibrare, pe baza unui sistem de 9 puncte.

Repetabilitate

Măsurătorile unui senzor trebuie făcute astfel încât să nu devieze. Repetabilitatea este măsurarea succesivă a derivei între măsurătorile unei singure mărimi.

Linearitatea

Acesta indică abaterea de tensiune de la valoarea BFSL și valoarea măsurată a tensiunii de ieșire, convertită la umiditate relativă.

încredere

Măsurătorile cauzează adesea desincronizarea senzorului. Cu toate acestea, pentru ca un senzor să fie util, acesta trebuie să furnizeze măsurători fiabile.

Timp de raspuns

De obicei, timpul necesar unui senzor pentru a ajunge la 66% (timp de creștere) sau 33% (timp de cădere) din tensiunea maximă de ieșire, se numește timp de răspuns.

Aplicarea senzorilor

Aplicațiile senzorilor de umiditate sunt foarte diverse. Persoanele cu boli afectate de umiditate, monitorizare și măsuri preventive în case folosesc senzori de umiditate. Un senzor de umiditate face parte, de asemenea, din sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (sisteme HVAC). Acestea sunt utilizate și în birouri, mașini, umidificatoare, muzee, spații industriale și sere și sunt utilizate și în stațiile meteo pentru a raporta și a prognoza vremea.