Quais são os tipos de sensores de umidade?
Sensor capacitivo de umidade
Princípio de funcionamento
O sensor de umidade capacitivo é um pequeno capacitor feito de material dielétrico higroscópico colocado entre um par de eletrodos. A maioria dos sensores capacitivos usa plástico ou polímero como material dielétrico, com uma constante dielétrica típica variando de 2 a 15. Essa constante e a geometria do sensor determinam o valor da capacitância.
À temperatura ambiente normal, a constante dielétrica do vapor de água tem um valor de cerca de 80, um valor muito superior à constante do material dielétrico do sensor. Portanto, a absorção de umidade pelo sensor resulta em um aumento na capacidade do sensor. Sob condições de equilíbrio, a quantidade de umidade presente em um material depende da temperatura ambiente e da pressão do vapor de água ambiente. Isso também se aplica ao material dielétrico higroscópico usado no sensor.
Por definição, a umidade relativa é uma função da temperatura ambiente e da pressão do vapor de água. Existe uma relação direta entre a umidade relativa, a quantidade de umidade presente no sensor e a capacidade do sensor. Essa relação é a base da operação de um instrumento de umidade capacitiva.
Sabemos que a umidade relativa é a razão entre a pressão real do vapor de água e a pressão máxima do vapor de água (pressão de vapor saturado) possível a uma determinada temperatura. O material dielétrico varia a uma taxa relacionada à variação da umidade relativa.
Cadeia de medição e desempenho
Em um higrômetro usando um sensor capacitivo, a umidade é medida por um processo em cadeia, em vez de ser detectada diretamente. A cadeia é composta pelos seguintes componentes:
1. Sensor capacitivo
2. Sonda
3. Cabo
4. Eletrônica
5. sinal de saída
O desempenho do instrumento é determinado por todos os elementos da corrente e não apenas pelo sensor. O sensor e os componentes eletrônicos associados não podem ser considerados separadamente. Qualquer fator que possa perturbar o processo de medição da cadeia provavelmente afetará o desempenho do instrumento.
Erros e incertezas
Classificação de erros que afetam a incerteza final de um higrômetro com sensor capacitivo. Os erros de medição podem ser divididos em duas categorias principais:
Erros sistemáticos são previsíveis e reproduzíveis. Os erros resultantes da não linearidade do instrumento ou dos efeitos da temperatura se enquadram nessa categoria. Erros sistemáticos são específicos para o instrumento.
Erros aleatórios não são totalmente previsíveis, pois dependem principalmente de fatores externos ao instrumento. Erros resultantes da histerese do sensor, bem como os resultantes da calibração, são erros aleatórios. Geralmente, os erros aleatórios são estimados com base em dados estatísticos ou com base na experiência e julgamento.
Por serem previsíveis, erros sistemáticos podem ser potencialmente eliminados. No entanto, erros aleatórios não podem ser totalmente eliminados.
Erros de linearidade. A resposta típica de um sensor capacitivo de umidade relativa (entre 0 e 100% de UR) não é linear. Dependendo da correção feita pelos circuitos eletrônicos, o instrumento pode ter um erro de linearidade. Assumindo que o sensor e os componentes eletrônicos associados tenham características reproduzíveis, o erro de linearidade é um erro sistemático.
Normalmente, os pontos de medição recomendados pelo fabricante do instrumento para calibração são determinados para minimizar o erro de linearidade. A calibração nesses pontos deve produzir uma distribuição mais e menos igual do erro de linearidade.
Erros de temperatura. A temperatura pode ter um efeito importante em vários elementos do processo de medição de corrente descrito acima. As propriedades higroscópicas do sensor variam com a temperatura. Um instrumento de umidade relativa funciona adequadamente com base no pressuposto de que a relação entre a quantidade de umidade presente no dielétrico do sensor e a umidade relativa é constante. No entanto, na maioria dos materiais higroscópicos, essa relação varia com a temperatura.
Propriedades dielétricas
As propriedades dielétricas da molécula de água são afetadas pela temperatura. A 20 ° C, a constante dielétrica da água tem um valor de cerca de 80. Essa constante aumenta em mais de 8% a 0 ° C e diminui em 30% a 100 ° C. Efeitos semelhantes podem ser observados em relação a refere-se a outras propriedades físicas da água, como condutividade elétrica.
As propriedades dielétricas do sensor também variam com a temperatura. A constante dielétrica da maioria dos materiais dielétricos diminui à medida que a temperatura aumenta. O efeito da temperatura nas propriedades dielétricas da maioria dos plásticos e polímeros é geralmente mais limitado.
Sensor de umidade térmica
Dois sensores térmicos conduzem eletricidade de acordo com a umidade do ar ambiente. Um sensor é envolto em nitrogênio seco enquanto o outro mede o ar ambiente. A diferença entre as duas mede a umidade.
Sensor de umidade resistiva
Princípio de funcionamento
Os sensores de umidade resistivos medem a variação da impedância elétrica de um meio higroscópico, como um polímero condutor, sal ou substrato tratado.
Os sensores resistivos são baseados em um enrolamento interdigitado ou de dois fios. Depois de depositar um revestimento de polímero hidroscópico, sua resistência muda inversamente com a umidade. A mudança na impedância geralmente é uma relação exponencial inversa à umidade.
Sensores resistivos geralmente consistem em eletrodos metálicos nobres depositados em um substrato por técnicas fotorresistentes ou eletrodos enrolados em um cilindro de plástico ou vidro. O substrato é coberto com um sal ou um polímero condutor. Alternativamente, o substrato pode ser tratado com produtos químicos ativadores, como o ácido.
O sensor absorve o vapor de água e os grupos funcionais iônicos são dissociados, o que aumenta a condutividade elétrica. O tempo de resposta da maioria dos sensores resistivos varia de 10 a 30 s para atingir 63% do valor real. A faixa de impedância de elementos resistivos típicos varia de 1 a 000 ohms.
A maioria dos sensores resistivos usa uma tensão de excitação CA balanceada sem polarização DC para evitar a polarização do sensor. Essa resposta pode ser linearizada por métodos analógicos ou digitais. A resistência variável típica varia de alguns quilos a 100 Mohms. A frequência de excitação nominal é de 30 Hz a 10 kHz.
Calibração e precisão do sensor
O sensor "resistivo" não é puramente resistivo, pois os efeitos capacitivos tornam a resposta uma medida de impedância. Uma vantagem distinta dos sensores de RH resistivos é sua permutabilidade, geralmente dentro de mais ou menos 2% de RH, o que permite que os circuitos eletrônicos de condicionamento de sinal sejam calibrados por uma resistência em um ponto fixo de RH. Isso elimina a necessidade de padrões de calibração de umidade, de modo que os sensores de umidade resistivos geralmente são substituíveis em campo.
A precisão de sensores de umidade resistivos individuais pode ser confirmada por testes em uma câmara de calibração de RH ou por um sistema DA computadorizado referenciado em um ambiente controlado por umidade padronizado. A temperatura de operação nominal dos sensores resistivos varia de -40 graus C a 100 graus C.
Vida do sensor
Em ambientes residenciais e comerciais, a expectativa de vida desses sensores é> 5 anos, mas a exposição a vapores químicos e outros contaminantes, como névoa de óleo, pode causar falha prematura. Outra desvantagem de alguns sensores resistivos é a tendência de mudar os valores quando expostos à condensação se um revestimento solúvel em água for usado.
Os sensores de umidade resistivos têm dependências significativas de temperatura quando instalados em um ambiente com grandes flutuações de temperatura. A compensação simultânea de temperatura é integrada para mais precisão. O tamanho pequeno, o baixo custo, a intercambiabilidade e a estabilidade a longo prazo tornam esses sensores resistivos adequados para uso em produtos de controle e exibição para aplicações industriais, comerciais e residenciais.
Verificação funcional ao longo do tempo
Precisão
Cada sensor deve ter sua própria curva de calibração, com base em um sistema de 9 pontos.
Repetibilidade
As medições de um sensor devem ser feitas de forma que não se desviem. Repetibilidade é a medição sucessiva da deriva entre as medições de uma única quantidade.
Linearidade
Indica o desvio de tensão do valor BFSL e o valor medido da tensão de saída, convertido em umidade relativa.
Fiabilité
As medições geralmente fazem com que o sensor fique fora de sincronia. Entretanto, para que um sensor seja útil, ele deve fornecer medições confiáveis.
Tempo de resposta
Normalmente, o tempo que leva para um sensor atingir 66% (tempo de subida) ou 33% (tempo de queda) da tensão máxima de saída é chamado de tempo de resposta.
Aplicação de sensores
As aplicações dos sensores de umidade são muito diversas. Pessoas com doenças afetadas pela umidade, monitoramento e medidas preventivas nas residências utilizam sensores de umidade. Um sensor de umidade também faz parte dos sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (sistemas HVAC). Eles também são usados em escritórios, carros, umidificadores, museus, espaços industriais e estufas e também são usados em estações meteorológicas para relatar e prever o tempo.