Wat zijn de soorten vochtigheidssensoren?
Capacitieve vochtigheidssensor
Werkingsprincipe
De capacitieve vochtigheidssensor is een kleine condensator gemaakt van hygroscopisch diëlektrisch materiaal dat tussen een paar elektroden is geplaatst. De meeste capacitieve sensoren gebruiken plastic of polymeer als diëlektrisch materiaal, met een typische diëlektrische constante tussen 2 en 15. Deze constante en de geometrie van de sensor bepalen de waarde van de capaciteit.
Bij normale kamertemperatuur heeft de diëlektrische constante van waterdamp een waarde van ongeveer 80, een waarde die veel groter is dan de constante van het diëlektrische materiaal van de sensor. Daarom zorgt de opname van vocht door de sensor voor een vergroting van de capaciteit van de sensor. Onder evenwichtsomstandigheden hangt de hoeveelheid vocht in een materiaal af van zowel de omgevingstemperatuur als de omgevingswaterdampdruk. Dit geldt ook voor het hygroscopische diëlektrische materiaal dat in de sensor wordt gebruikt.
De relatieve vochtigheid is per definitie een functie van zowel de omgevingstemperatuur als de waterdampdruk. Er is een directe relatie tussen relatieve vochtigheid, de hoeveelheid vochtigheid die in de sensor aanwezig is en de capaciteit van de sensor. Deze relatie is de basis van de werking van een capacitief vochtinstrument.
We weten dat relatieve vochtigheid de verhouding is tussen de werkelijke waterdampdruk en de maximale waterdampdruk (verzadigde dampdruk) die mogelijk is bij een bepaalde temperatuur. Het diëlektrische materiaal varieert met een snelheid die verband houdt met de variatie van de relatieve vochtigheid.
Keten en prestaties meten
In een hygrometer die gebruik maakt van een capacitieve sensor, wordt de vochtigheid gemeten met een kettingproces in plaats van direct gedetecteerd. De ketting bestaat uit de volgende componenten:
1. Capacitieve sensor
2. Sonde
3. Kabel
4. Elektronica
5. Uitgangssignaal
De prestatie van het instrument wordt bepaald door alle elementen van de ketting en niet alleen door de sensor. De sensor en de bijbehorende elektronica kunnen niet afzonderlijk worden beschouwd. Elke factor die het kettingmeetproces zou kunnen verstoren, heeft waarschijnlijk een effect op de prestaties van het instrument.
Fouten en onzekerheden
Classificatie van fouten die de uiteindelijke onzekerheid van een hygrometer met een capacitieve sensor beïnvloeden. Meetfouten kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën:
Systematische fouten zijn voorspelbaar en reproduceerbaar. Fouten als gevolg van niet-lineariteit van het instrument of temperatuureffecten vallen in deze categorie. Systematische fouten zijn specifiek voor het instrument.
Willekeurige fouten zijn niet helemaal voorspelbaar omdat ze voornamelijk afhangen van externe factoren van het instrument. Fouten die het gevolg zijn van sensorhysterese, evenals fouten die het gevolg zijn van kalibratie, zijn willekeurige fouten. Willekeurige fouten worden meestal geschat op basis van statistische gegevens of op basis van ervaring en oordeel.
Omdat ze voorspelbaar zijn, kunnen systematische fouten mogelijk worden geëlimineerd. Willekeurige fouten kunnen echter niet volledig worden geëlimineerd.
Lineariteitsfouten. De typische respons van een capacitieve relatieve vochtigheidssensor (tussen 0 en 100% RV) is niet lineair. Afhankelijk van de correctie door de elektronische schakelingen, kan het instrument een lineariteitsfout hebben. Ervan uitgaande dat de sensor en de bijbehorende elektronica reproduceerbare kenmerken hebben, is de lineariteitsfout een systematische fout.
Doorgaans worden de door de fabrikant van het instrument voor kalibratie aanbevolen meetpunten bepaald om de lineariteitsfout te minimaliseren. Kalibratie op deze punten zou een min of meer gelijke verdeling van de lineariteitsfout moeten opleveren.
Temperatuurfouten. Temperatuur kan een groot effect hebben op verschillende elementen van het hierboven beschreven kettingmeetproces. De hygroscopische eigenschappen van de sensor variëren met temperatuur. Een instrument voor relatieve vochtigheid werkt naar behoren op basis van de aanname dat de relatie tussen de hoeveelheid vocht in het diëlektricum van de sensor en de relatieve vochtigheid constant is. Bij de meeste hygroscopische materialen varieert deze relatie echter met de temperatuur.
Diëlektrische eigenschappen
De diëlektrische eigenschappen van het watermolecuul worden beïnvloed door temperatuur. Bij 20 ° C heeft de diëlektrische constante van water een waarde van ongeveer 80. Deze constante neemt toe met meer dan 8% bij 0 ° C en neemt af met 30% bij 100 ° C. Soortgelijke effecten kunnen worden opgemerkt met betrekking tot betreft andere fysische eigenschappen van water zoals elektrische geleidbaarheid.
De diëlektrische eigenschappen van de sensor variëren ook met de temperatuur. De diëlektrische constante van de meeste diëlektrische materialen neemt af naarmate de temperatuur stijgt. Het effect van temperatuur op de diëlektrische eigenschappen van de meeste kunststoffen en polymeren is over het algemeen beperkter.
Thermische vochtigheidssensor
Twee thermische sensoren geleiden elektriciteit volgens de vochtigheid van de omgevingslucht. De ene sensor zit in droge stikstof, de andere meet de omgevingslucht. Het verschil tussen de twee meet de luchtvochtigheid.
Resistieve vochtigheidssensor
Werkingsprincipe
Resistieve vochtigheidssensoren meten de variatie van de elektrische impedantie van een hygroscopisch medium zoals een geleidend polymeer, zout of een behandeld substraat.
Weerstandssensoren zijn gebaseerd op een interdigitale of tweedraadswikkeling. Na het afzetten van een hydroscopische polymeercoating verandert hun weerstand omgekeerd met vochtigheid. De verandering in impedantie is over het algemeen een omgekeerde exponentiële relatie met vochtigheid.
Weerstandssensoren bestaan in het algemeen uit edelmetaalelektroden die door fotolaktechnieken op een substraat zijn afgezet of elektroden die op een plastic of glazen cilinder zijn gewonden. Het substraat is bedekt met een zout of een geleidend polymeer. Als alternatief kan het substraat worden behandeld met activerende chemicaliën zoals zuur.
De sensor absorbeert waterdamp en de ionische functionele groepen worden gedissocieerd, wat de elektrische geleidbaarheid verhoogt. De reactietijd van de meeste resistieve sensoren varieert van 10 tot 30 seconden om 63% van de werkelijke waarde te bereiken. Het impedantiebereik van typische resistieve elementen varieert van 1 ohm tot 000 ohm.
De meeste resistieve sensoren gebruiken een gebalanceerde AC-bekrachtigingsspanning zonder DC-bias om sensorbias te voorkomen. Deze reactie kan lineair worden gemaakt door analoge of digitale methoden. Typische variabele weerstand varieert van enkele kilohms tot 100 Mohms. De nominale excitatiefrequentie is 30 Hz tot 10 kHz.
Sensorkalibratie en nauwkeurigheid
De "resistieve" sensor is niet puur resistief omdat de capacitieve effecten van de respons een impedantiemeting maken. Een duidelijk voordeel van resistieve RH-sensoren is hun uitwisselbaarheid, meestal binnen plus of minus 2% RH, waardoor elektronische signaalconditioneringsschakelingen kunnen worden gekalibreerd door een weerstand op een vast RH-punt. Dit elimineert de behoefte aan standaarden voor vochtigheidskalibratie, dus resistieve vochtigheidssensoren zijn over het algemeen in het veld te vervangen.
De nauwkeurigheid van individuele resistieve vochtigheidssensoren kan worden bevestigd door testen in een RH-kalibratiekamer of door een geautomatiseerd DA-systeem waarnaar wordt verwezen in een gestandaardiseerde, vochtgecontroleerde omgeving. De nominale bedrijfstemperatuur van de resistieve sensoren varieert van -40 ° C tot 100 ° C.
Levensduur sensor
In woon- en commerciële omgevingen is de levensverwachting van deze sensoren> 5 jaar, maar blootstelling aan chemische dampen en andere verontreinigingen zoals olienevel kan voortijdige uitval veroorzaken. Een ander nadeel van sommige resistieve sensoren is hun neiging om waarden te verschuiven wanneer ze worden blootgesteld aan condensatie als een in water oplosbare coating wordt gebruikt.
Resistieve vochtsensoren hebben aanzienlijke temperatuurafhankelijkheden wanneer ze worden geïnstalleerd in een omgeving met grote temperatuurschommelingen. Gelijktijdige temperatuurcompensatie is geïntegreerd voor meer precisie. Het kleine formaat, de lage kosten, de uitwisselbaarheid en de stabiliteit op lange termijn maken deze resistieve sensoren geschikt voor gebruik in besturings- en displayproducten voor industriële, commerciële en residentiële toepassingen.
Verificatie van werking in de tijd
Precisie
Elke sensor moet zijn eigen kalibratiecurve hebben, gebaseerd op een 9-puntssysteem.
Herhaalbaarheid
De afmetingen van een sensor moeten zo worden gemaakt dat ze niet afwijken. Herhaalbaarheid is de opeenvolgende maatstaf van drift tussen metingen van een enkele grootheid.
Lineariteit
Het geeft de spanningsafwijking aan van de BFSL-waarde en de gemeten uitgangsspanningswaarde, omgezet in relatieve vochtigheid.
Fiabilité
Metingen veroorzaken vaak een desynchronisatie van de sensor. Wil een sensor echter bruikbaar zijn, dan moet hij betrouwbare metingen opleveren.
Reactietijd
Over het algemeen wordt de tijd die een sensor nodig heeft om 66% (stijgtijd) of 33% (daaltijd) van de maximale uitgangsspanning te bereiken, de reactietijd genoemd.
Toepassing van sensoren
De toepassingen van vochtigheidssensoren zijn zeer gevarieerd. Mensen met ziekten die worden beïnvloed door vochtigheid, bewaking en preventieve maatregelen in huizen, gebruiken vochtigheidssensoren. Een vochtigheidssensor maakt ook deel uit van de verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen (HVAC-systemen). Deze worden ook gebruikt in kantoren, auto's, luchtbevochtigers, musea, bedrijfsruimten en kassen en worden ook gebruikt in weerstations om het weer te melden en te voorspellen.