wilgotność

Co to jest czujnik wilgotności?

Czujnik wilgotności (lub higrometr) wykrywa, mierzy i raportuje zarówno wilgotność, jak i temperaturę powietrza. Stosunek wilgotności powietrza do największej ilości wilgoci przy określonej temperaturze powietrza nazywany jest wilgotnością względną. Wilgotność względna staje się ważnym czynnikiem przy szukaniu komfortu.

Czujniki wilgotności działają poprzez wykrywanie zmian, które zmieniają prądy elektryczne lub temperaturę powietrza.

Czytaj więcej

Jakie są rodzaje czujników wilgotności?

Pojemnościowy czujnik wilgotności

Zasada działania

Pojemnościowy czujnik wilgotności to niewielki kondensator wykonany z higroskopijnego materiału dielektrycznego umieszczonego pomiędzy parą elektrod. Większość czujników pojemnościowych wykorzystuje tworzywo sztuczne lub polimer jako materiał dielektryczny, o typowej stałej dielektrycznej w zakresie od 2 do 15. Ta stała i geometria czujnika określają wartość pojemności.

W normalnej temperaturze pokojowej stała dielektryczna pary wodnej ma wartość około 80, wartość znacznie większą niż stała dielektrycznego materiału czujnika. Dlatego wchłanianie wilgoci przez czujnik powoduje wzrost pojemności czujnika. W warunkach równowagi ilość wilgoci zawartej w materiale zależy zarówno od temperatury otoczenia, jak i ciśnienia pary wodnej w otoczeniu. Dotyczy to również higroskopijnego materiału dielektrycznego zastosowanego w czujniku.

Z definicji wilgotność względna jest funkcją zarówno temperatury otoczenia, jak i ciśnienia pary wodnej. Istnieje bezpośredni związek między wilgotnością względną, ilością wilgoci obecną w czujniku i wydajnością czujnika. Zależność ta jest podstawą działania pojemnościowego przyrządu do pomiaru wilgotności.

Wiemy, że wilgotność względna to stosunek rzeczywistego ciśnienia pary wodnej do maksymalnego ciśnienia pary wodnej (prężności pary nasyconej) możliwego w danej temperaturze. Materiał dielektryczny zmienia się z szybkością zależną od zmiany wilgotności względnej.

Łańcuch pomiarowy i wydajność

W higrometrze z czujnikiem pojemnościowym wilgotność jest mierzona w procesie łańcuchowym, a nie bezpośrednio. Łańcuch składa się z następujących elementów:

1. Czujnik pojemnościowy

2. Sonda

3. Kabel

4. Elektronika

5. Sygnał wyjściowy


O działaniu instrumentu decydują wszystkie elementy w łańcuchu, a nie sam czujnik. Czujnik i przynależna elektronika nie mogą być rozpatrywane oddzielnie. Każdy czynnik, który mógłby zakłócić proces pomiaru w łańcuchu, prawdopodobnie będzie miał wpływ na działanie przyrządu.

Błędy i niepewności

Klasyfikacja błędów wpływających na końcową niepewność higrometru z czujnikiem pojemnościowym. Błędy pomiaru można podzielić na dwie szerokie kategorie:

Systematyczne błędy są przewidywalne i powtarzalne. Do tej kategorii należą błędy wynikające z nieliniowości przyrządu lub wpływu temperatury. Systematyczne błędy są specyficzne dla urządzenia.

Przypadkowe błędy nie są całkowicie przewidywalne, ponieważ zależą głównie od czynników zewnętrznych w stosunku do instrumentu. Błędy wynikające z histerezy czujnika, jak również te wynikające z kalibracji, są błędami losowymi. Zazwyczaj błędy losowe szacuje się na podstawie danych statystycznych lub na podstawie doświadczenia i osądu.

Ponieważ są przewidywalne, systematyczne błędy można potencjalnie wyeliminować. Jednak przypadkowych błędów nie można całkowicie wyeliminować.

Błędy liniowości. Typowa reakcja pojemnościowego czujnika wilgotności względnej (od 0 do 100% RH) nie jest liniowa. W zależności od korekcji dokonanej przez obwody elektroniczne przyrząd może mieć błąd liniowości. Zakładając, że czujnik i związana z nim elektronika mają powtarzalne właściwości, błąd liniowości jest błędem systematycznym.

Z reguły punkty pomiarowe zalecane przez producenta przyrządu do kalibracji są określane w celu zminimalizowania błędu liniowości. Kalibracja w tych punktach powinna dawać mniej więcej równy rozkład błędu liniowości.

Błędy temperatury. Temperatura może mieć duży wpływ na kilka elementów procesu pomiaru łańcucha opisanego powyżej. Higroskopijne właściwości czujnika zmieniają się wraz z temperaturą. Przyrząd do pomiaru wilgotności względnej działa dobrze w oparciu o założenie, że zależność między ilością wilgoci obecną w dielektryku czujnika a wilgotnością względną jest stała. Jednak w przypadku większości materiałów higroskopijnych zależność ta zmienia się wraz z temperaturą.

Właściwości dielektryczne

Temperatura ma wpływ na właściwości dielektryczne cząsteczki wody. Przy 20 ° C stała dielektryczna wody ma wartość około 80. Ta stała wzrasta o ponad 8% przy 0 ° C i spada o 30% przy 100 ° C. Podobne efekty można zauważyć w odniesieniu do innych fizycznych właściwości wody, takie jak przewodnictwo elektryczne.


Właściwości dielektryczne czujnika również zmieniają się wraz z temperaturą. Stała dielektryczna większości materiałów dielektrycznych zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Wpływ temperatury na właściwości dielektryczne większości tworzyw sztucznych i polimerów jest ogólnie bardziej ograniczony.

Termiczny czujnik wilgotności

Dwa czujniki termiczne przewodzą prąd w zależności od wilgotności powietrza w otoczeniu. Jeden czujnik jest zamknięty w suchym azocie, podczas gdy drugi mierzy powietrze w otoczeniu. Różnica między tymi dwoma pomiarami wilgotności.

Rezystancyjny czujnik wilgotności

Zasada działania

Rezystancyjne czujniki wilgotności mierzą zmianę impedancji elektrycznej ośrodka higroskopijnego, takiego jak przewodzący polimer, sól lub poddane obróbce podłoże.

Czujniki rezystancyjne oparte są na uzwojeniu międzycyfrowym lub dwuprzewodowym. Po osadzeniu hydroskopijnej powłoki polimerowej ich opór zmienia się odwrotnie wraz z wilgocią. Zmiana impedancji jest zazwyczaj odwrotną wykładniczą zależnością od wilgotności.

Czujniki rezystancyjne na ogół składają się z elektrod ze szlachetnego metalu osadzonych na podłożu za pomocą technik fotorezystu lub z elektrod nawiniętych na cylindrze z tworzywa sztucznego lub szkła. Podłoże jest pokryte solą lub przewodzącym polimerem. Alternatywnie podłoże można potraktować aktywującymi substancjami chemicznymi, takimi jak kwas.

Czujnik pochłania parę wodną, ​​a jonowe grupy funkcyjne ulegają dysocjacji, co powoduje wzrost przewodności elektrycznej. Czas odpowiedzi większości czujników rezystancyjnych waha się od 10 do 30 s, aby osiągnąć 63% rzeczywistej wartości. Zakres impedancji typowych elementów rezystancyjnych wynosi od 1 omów do 000 100 000 omów.

Większość czujników rezystancyjnych wykorzystuje symetryczne napięcie napędu AC bez odchylenia DC, aby zapobiec polaryzacji czujnika. Ta odpowiedź może być linearyzowana metodami analogowymi lub cyfrowymi. Typowy rezystor zmienny ma zakres od kilku kiloomów do 100 megaomów. Nominalna częstotliwość wzbudzenia wynosi od 30 Hz do 10 kHz.

Kalibracja i dokładność czujnika 

Czujnik „rezystancyjny” nie jest wyłącznie rezystancyjny, ponieważ efekty pojemnościowe sprawiają, że odpowiedź jest miarą impedancji. Wyraźną zaletą rezystancyjnych czujników RH jest ich zamienność, zwykle w granicach plus lub minus 2% RH, co pozwala na kalibrację obwodów elektronicznego kondycjonowania sygnału przez rezystor w ustalonym punkcie RH. Eliminuje to potrzebę stosowania wzorców kalibracji wilgotności, więc rezystancyjne czujniki wilgotności są zwykle wymienialne na miejscu.

Dokładność poszczególnych rezystancyjnych czujników wilgotności można potwierdzić, testując w komorze kalibracyjnej wilgotności względnej lub w skomputeryzowanym systemie DA z odniesieniem w znormalizowanym środowisku o kontrolowanej wilgotności. Nominalna temperatura pracy czujników rezystancyjnych wynosi od -40 st.C do 100 st.C.

Żywotność czujnika

W środowiskach mieszkalnych i komercyjnych żywotność tych czujników wynosi> 5 lat, ale narażenie na opary chemiczne i inne zanieczyszczenia, takie jak mgła olejowa, może spowodować przedwczesną awarię. Inną wadą niektórych czujników rezystancyjnych jest ich tendencja do zmiany wartości pod wpływem kondensacji, jeśli stosowana jest powłoka rozpuszczalna w wodzie.

Rezystancyjne czujniki wilgotności mają znaczną zależność od temperatury, gdy są instalowane w środowisku o dużych wahaniach temperatury. Dla większej precyzji wbudowana jest jednoczesna kompensacja temperatury. Mały rozmiar, niski koszt, wymienność i długoterminowa stabilność sprawiają, że te czujniki rezystancyjne nadają się do stosowania w produktach sterujących i wyświetlających w zastosowaniach przemysłowych, handlowych i mieszkalnych.

Kontrola działania w czasie

dokładność

Każdy czujnik powinien mieć własną krzywą kalibracji, opartą na systemie 9-punktowym.

Powtarzalność

Pomiary z czujnika należy wykonywać tak, aby nie odbiegały. Powtarzalność to kolejny pomiar odchylenia między pomiarami jednej wielkości.

Liniowość

Wskazuje odchylenie napięcia od wartości BFSL i zmierzonej wartości napięcia wyjściowego, przeliczone na wilgotność względną.

Fiabilité

Pomiary często powodują utratę synchronizacji czujnika. Jednak aby czujnik był użyteczny, musi zapewniać wiarygodne pomiary.

Czas odpowiedzi

Zwykle czas, w którym czujnik osiąga 66% (czas narastania) lub 33% (czas opadania) maksymalnego napięcia wyjściowego, nazywany jest czasem odpowiedzi.

Zastosowanie czujników

Zastosowania czujników wilgotności są bardzo zróżnicowane. Osoby z chorobami dotkniętymi wilgocią, monitorowaniem i środkami zapobiegawczymi w domach używają czujników wilgotności. Czujnik wilgotności jest również częścią systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (systemy HVAC). Są również używane w biurach, samochodach, nawilżaczach, muzeach, przestrzeniach przemysłowych i szklarniach, a także w stacjach pogodowych do raportowania i prognozowania pogody.