Quali sono i tipi di sensori di umidità?
Sensore di umidità capacitivo
Principio di funzionamento
Il sensore di umidità capacitivo è un piccolo condensatore realizzato in materiale dielettrico igroscopico posizionato tra una coppia di elettrodi. La maggior parte dei sensori capacitivi utilizza plastica o polimero come materiale dielettrico, con una costante dielettrica tipica compresa tra 2 e 15. Questa costante e la geometria del sensore determinano il valore della capacità.
A temperatura ambiente normale, la costante dielettrica del vapore acqueo ha un valore di circa 80, un valore molto maggiore della costante del materiale dielettrico del sensore. Pertanto, l'assorbimento di umidità da parte del sensore provoca un aumento della capacità del sensore. In condizioni di equilibrio, la quantità di umidità presente in un materiale dipende sia dalla temperatura ambiente che dalla pressione del vapore acqueo ambiente. Questo vale anche per il materiale dielettrico igroscopico utilizzato nel sensore.
Per definizione, l'umidità relativa è una funzione della temperatura ambiente e della pressione del vapore acqueo. Esiste una relazione diretta tra l'umidità relativa, la quantità di umidità presente nel sensore e la capacità del sensore. Questa relazione è la base del funzionamento di uno strumento di umidità capacitiva.
Sappiamo che l'umidità relativa è il rapporto tra la pressione effettiva del vapore acqueo e la massima pressione del vapore acqueo (pressione del vapore saturo) possibile ad una data temperatura. Il materiale dielettrico varia a una velocità correlata alla variazione dell'umidità relativa.
Catena di misurazione e prestazioni
In un igrometro che utilizza un sensore capacitivo, l'umidità viene misurata mediante un processo a catena anziché essere rilevata direttamente. La catena è composta dai seguenti componenti:
1. Sensore capacitivo
2. Sonda
3. Cavo
4. Elettronica
5. Segnale di uscita
Le prestazioni dello strumento sono determinate da tutti gli elementi della catena e non solo dal sensore. Il sensore e l'elettronica associata non possono essere considerati separatamente. Qualsiasi fattore che potrebbe disturbare il processo di misurazione della catena potrebbe avere un effetto sulle prestazioni dello strumento.
Errori e incertezze
Classificazione degli errori che incidono sull'incertezza finale di un igrometro con un sensore capacitivo. Gli errori di misurazione possono essere suddivisi in due categorie principali:
Gli errori sistematici sono prevedibili e riproducibili. Gli errori derivanti dalla non linearità dello strumento o gli effetti della temperatura rientrano in questa categoria. Gli errori sistematici sono specifici dello strumento.
Gli errori casuali non sono del tutto prevedibili in quanto dipendono principalmente da fattori esterni allo strumento. Gli errori derivanti dall'isteresi del sensore, nonché quelli derivanti dalla calibrazione, sono errori casuali. Di solito, gli errori casuali sono stimati sulla base di dati statistici o sulla base dell'esperienza e del giudizio.
Poiché sono prevedibili, gli errori sistematici possono essere potenzialmente eliminati. Tuttavia, gli errori casuali non possono essere completamente eliminati.
Errori di linearità. La risposta tipica di un sensore di umidità relativa capacitiva (tra 0 e 100% RH) non è lineare. A seconda della correzione effettuata dai circuiti elettronici, lo strumento potrebbe presentare un errore di linearità. Supponendo che il sensore e l'elettronica associata abbiano caratteristiche riproducibili, l'errore di linearità è un errore sistematico.
In genere, i punti di misurazione raccomandati dal produttore dello strumento per la calibrazione sono determinati per ridurre al minimo l'errore di linearità. La calibrazione in questi punti dovrebbe produrre una distribuzione più e meno equa dell'errore di linearità.
Errori di temperatura. La temperatura può avere un effetto importante su diversi elementi del processo di misurazione della catena sopra descritto. Le proprietà igroscopiche del sensore variano con la temperatura. Uno strumento di umidità relativa funziona correttamente in base al presupposto che la relazione tra la quantità di umidità presente nel dielettrico del sensore e l'umidità relativa sia costante. Tuttavia, nella maggior parte dei materiali igroscopici, questa relazione varia con la temperatura.
Proprietà dielettriche
Le proprietà dielettriche della molecola d'acqua sono influenzate dalla temperatura. A 20 ° C, la costante dielettrica dell'acqua ha un valore di circa 80. Questa costante aumenta di oltre l'8% a 0 ° C e diminuisce del 30% a 100 ° C. Effetti simili si possono notare per quanto riguarda riguarda altre proprietà fisiche dell'acqua come la conduttività elettrica.
Le proprietà dielettriche del sensore variano anche con la temperatura. La costante dielettrica della maggior parte dei materiali dielettrici diminuisce all'aumentare della temperatura. L'effetto della temperatura sulle proprietà dielettriche della maggior parte delle materie plastiche e dei polimeri è generalmente più limitato.
Sensore di umidità termica
Due sensori termici conducono l'elettricità in base all'umidità dell'aria ambiente. Un sensore è racchiuso in azoto secco mentre l'altro misura l'aria ambiente. La differenza tra i due misura l'umidità.
Sensore di umidità resistivo
Principio di funzionamento
I sensori di umidità resistivi misurano la variazione dell'impedenza elettrica di un mezzo igroscopico come un polimero conduttivo, sale o un substrato trattato.
I sensori resistivi si basano su un avvolgimento interdigitato o a due fili. Dopo aver depositato un rivestimento polimerico idroscopico, la loro resistenza cambia inversamente con l'umidità. Il cambiamento di impedenza è generalmente una relazione esponenziale inversa rispetto all'umidità.
I sensori resistivi sono generalmente costituiti da elettrodi di metallo nobile depositati su un substrato mediante tecniche di fotoresist o elettrodi avvolti su un cilindro di plastica o di vetro. Il substrato è coperto con un sale o un polimero conduttivo. In alternativa, il substrato può essere trattato con sostanze chimiche attivanti come l'acido.
Il sensore assorbe il vapore acqueo e i gruppi funzionali ionici sono dissociati, il che porta ad un aumento della conduttività elettrica. Il tempo di risposta della maggior parte dei sensori resistivi varia da 10 a 30 s per raggiungere il 63% del valore reale. La gamma di impedenza dei tipici elementi resistivi varia da 1 ohm a 000 di ohm.
La maggior parte dei sensori resistivi utilizza una tensione di eccitazione CA bilanciata senza polarizzazione CC per prevenire la polarizzazione del sensore. Questa risposta può essere linearizzata con metodi analogici o digitali. La resistenza variabile tipica varia da pochi chilo a 100 Mohm. La frequenza di eccitazione nominale è compresa tra 30 Hz e 10 kHz.
Calibrazione e precisione del sensore
Il sensore "resistivo" non è puramente resistivo in quanto gli effetti capacitivi rendono la risposta una misura di impedenza. Un netto vantaggio dei sensori resistivi RH è la loro intercambiabilità, generalmente entro più o meno il 2% di umidità relativa, che consente ai circuiti elettronici di condizionamento del segnale di essere calibrati da una resistenza in un punto RH fisso. Ciò elimina la necessità di standard di calibrazione dell'umidità, quindi i sensori di umidità resistivi sono generalmente sostituibili sul campo.
L'accuratezza dei singoli sensori di umidità resistivi può essere confermata mediante test in una camera di calibrazione RH o da un sistema DA computerizzato referenziato in un ambiente standardizzato con controllo dell'umidità. La temperatura nominale di funzionamento dei sensori resistivi varia da -40 ° C a 100 ° C.
Durata del sensore
In ambienti residenziali e commerciali, l'aspettativa di vita di questi sensori è> 5 anni, ma l'esposizione a vapori chimici e altri contaminanti come la nebbia d'olio può causare guasti prematuri. Un altro svantaggio di alcuni sensori resistivi è la loro tendenza a spostare i valori quando esposti alla condensa se viene utilizzato un rivestimento idrosolubile.
I sensori di umidità resistivi hanno significative dipendenze di temperatura se installati in un ambiente con forti sbalzi di temperatura. La compensazione della temperatura simultanea è integrata per una maggiore precisione. Le dimensioni ridotte, il basso costo, l'intercambiabilità e la stabilità a lungo termine rendono questi sensori resistivi adatti per l'uso in prodotti di controllo e visualizzazione per applicazioni industriali, commerciali e residenziali.
Verifica del funzionamento nel tempo
Precisione
Ogni sensore deve avere una propria curva di calibrazione, basata su un sistema a 9 punti.
ripetibilità
Le misurazioni di un sensore devono essere effettuate in modo che non si discostino. La ripetibilità è la misura successiva della deriva tra le misure di una singola quantità.
Linearità
Indica la deviazione della tensione dal valore BFSL e il valore della tensione di uscita misurata, convertito in umidità relativa.
fiabilité
Le misurazioni spesso causano una desincronizzazione del sensore. Tuttavia, affinché un sensore sia utile, deve fornire misurazioni affidabili.
Tempo di risposta
In genere, il tempo impiegato da un sensore per raggiungere il 66% (tempo di salita) o il 33% (tempo di caduta) della tensione di uscita massima viene chiamato tempo di risposta.
Applicazione di sensori
Le applicazioni dei sensori di umidità sono molto varie. Le persone con malattie affette da umidità, sorveglianza e misure preventive nelle case usano sensori di umidità. Un sensore di umidità fa anche parte dei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (sistemi HVAC). Questi sono anche usati in uffici, automobili, umidificatori, musei, spazi industriali e serre e sono anche usati nelle stazioni meteorologiche per riferire e prevedere il tempo.