Feuchtigkeitssensoren - wie sie angeordnet sind und funktionieren

Ein Gerät, das den Feuchtigkeitsgehalt misst, wird als Hygrometer oder einfach als Feuchtigkeitssensor bezeichnet. Im Alltag ist die Luftfeuchtigkeit ein wichtiger Parameter, und zwar oft nicht nur für das normale Leben, sondern auch für verschiedene Geräte, für die Landwirtschaft (Bodenfeuchtigkeit) und vieles mehr.

Insbesondere unser Gesundheitszustand hängt stark vom Feuchtigkeitsgrad ab. Besonders feuchtigkeitsempfindlich sind wetterabhängige Menschen sowie Menschen mit Bluthochdruck, Asthma bronchiale und Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems.

Bei hoher Lufttrockenheit fühlen sich auch gesunde Menschen unwohl, schläfrig, jucken und reizen die Haut. Oft kann trockene Luft Erkrankungen der Atemwege hervorrufen, angefangen bei akuten Atemwegsinfektionen und akuten Virusinfektionen der Atemwege bis hin zur Lungenentzündung.

In Unternehmen kann Luftfeuchtigkeit die Sicherheit von Produkten und Geräten beeinträchtigen, und in der Landwirtschaft ist der Einfluss der Bodenfeuchtigkeit auf die Fruchtbarkeit usw. eindeutig. Feuchtigkeitssensoren - Hygrometer.

Einige technische Geräte werden zunächst auf die unbedingt erforderliche Bedeutung kalibriert. Manchmal ist es für die Feinabstimmung des Geräts wichtig, den genauen Wert der Luftfeuchtigkeit in der Umgebung zu haben.

Luftfeuchtigkeit kann durch mehrere der möglichen Werte gemessen werden:

• Um die Luftfeuchtigkeit sowohl von Luft als auch von anderen Gasen zu bestimmen, werden Messungen in Gramm pro Kubikmeter durchgeführt, wenn es um den absoluten Feuchtigkeitswert geht, oder in Einheiten der relativen Luftfeuchtigkeit, wenn es um die relative Luftfeuchtigkeit geht.

• Zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts von Feststoffen oder in Flüssigkeiten eignen sich Messungen als Prozentsatz der Masse der Testproben.

• Zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts von schlecht gemischten Flüssigkeiten dienen ppm (wie viele Teile Wasser pro 1.000.000 Teile des Gewichts der Probe) als Maßeinheit.

Nach dem Wirkprinzip werden Hygrometer unterteilt in:

• kapazitiv;

• resistiv;

• Thermistor;

• optisch;

• elektronisch.

1) Kapazitiver Feuchtigkeitssensor

Kapazitive Hygrometer sind im einfachsten Fall Kondensatoren mit Luft als Dielektrikum im Spalt. Es ist bekannt, dass in Luft die Dielektrizitätskonstante in direktem Zusammenhang mit der Feuchtigkeit steht und Änderungen der dielektrischen Feuchtigkeit auch zu Änderungen der Kapazität des Luftkondensators führen.

Eine komplexere Version eines kapazitiven Feuchtigkeitssensors im Luftspalt enthält ein Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstante, das unter dem Einfluss der Feuchtigkeit stark variieren kann. Dieser Ansatz verbessert die Qualität des Sensors besser als nur mit Luft zwischen den Kondensatorplatten.

Die zweite Option eignet sich gut für Messungen des Wassergehalts von Feststoffen. Das untersuchte Objekt wird zwischen die Platten eines solchen Kondensators gelegt, beispielsweise kann das Objekt eine Tablette sein, und der Kondensator selbst ist mit der Schwingschaltung und dem elektronischen Generator verbunden, während die Eigenfrequenz der erhaltenen Schaltung gemessen wird und die durch Einführen der Testprobe erhaltene Kapazität aus der gemessenen Frequenz "berechnet" wird.

Natürlich hat dieses Verfahren einige Nachteile, zum Beispiel, wenn die Probenfeuchtigkeit unter 0,5% liegt, es ungenau ist, außerdem muss die gemessene Probe von Partikeln mit einer hohen Dielektrizitätskonstante gereinigt werden, außerdem sollte die Form der Probe auch während der Messung wichtig sein, sollte es nicht Änderung während der Studie.

Der dritte Typ eines kapazitiven Feuchtigkeitssensors ist ein kapazitives Dünnschichthygrometer. Es enthält ein Substrat, auf das zwei Kammelektroden aufgebracht sind. In diesem Fall spielen Kammelektroden die Rolle von Platten.Zur thermischen Kompensation werden zusätzlich zwei weitere Temperatursensoren in den Sensor eingeführt.

2) Widerstandsfeuchtigkeitssensor

Ein solcher Sensor umfasst zwei Elektroden, die auf einem Substrat abgeschieden sind, und auf die Elektroden selbst wird eine Materialschicht aufgebracht, die sich in einem relativ geringen Widerstand unterscheidet, jedoch in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit stark variiert.

Ein geeignetes Material in der Vorrichtung kann Aluminiumoxid sein. Dieser Oxidschacht absorbiert Wasser aus der äußeren Umgebung, während sein spezifischer Widerstand stark variiert. Infolgedessen hängt der Gesamtwiderstand des Messkreises eines solchen Sensors erheblich von der Luftfeuchtigkeit ab. Der Wert des fließenden Stroms gibt also die Luftfeuchtigkeit an. Der Vorteil von Sensoren dieses Typs ist ihr niedriger Preis.

3) Thermistor-Feuchtesensor

Ein Thermistor-Hygrometer besteht aus zwei identischen Thermistoren. Erinnern Sie sich übrigens daran Thermistor - Dies ist eine nichtlineare elektronische Komponente, deren Widerstand stark von ihrer Temperatur abhängt.

Einer der im Kreislauf enthaltenen Thermistoren befindet sich in einer abgedichteten Kammer mit trockener Luft. Und die andere - in einer Kammer mit Löchern, durch die Luft mit einer charakteristischen Luftfeuchtigkeit eintritt, deren Wert gemessen werden muss. Thermistoren sind in einer Brückenschaltung angeschlossen, eine der Diagonalen der Brücke wird mit Spannung versorgt und die Messwerte werden von der anderen Diagonale abgelesen.

Wenn die Spannung an den Ausgangsklemmen Null ist, sind die Temperaturen beider Komponenten gleich, daher ist die Luftfeuchtigkeit gleich. In dem Fall, in dem der Ausgang eine Spannung ungleich Null empfängt, zeigt dies das Vorhandensein eines Feuchtigkeitsunterschieds in den Kammern an. Die Luftfeuchtigkeit wird also durch den Wert der Spannung bestimmt, die während der Messungen erhalten wird.

Ein unerfahrener Forscher kann eine faire Frage stellen: Warum ändert sich die Temperatur eines Thermistors, wenn er mit feuchter Luft interagiert? Und die Sache ist, dass mit zunehmender Luftfeuchtigkeit Wasser aus dem Thermistorgehäuse zu verdampfen beginnt, während die Gehäusetemperatur abnimmt. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto intensiver tritt die Verdunstung auf und desto schneller kühlt der Thermistor ab.

4) Optischer (Kondensations-) Feuchtigkeitssensor

Dieser Sensortyp ist am genauesten. Die Basis des optischen Feuchtigkeitssensors ist ein Phänomen, das mit dem Konzept des "Taupunkts" verbunden ist. Wenn die Temperatur den Taupunkt erreicht, befinden sich die gasförmige und die flüssige Phase im thermodynamischen Gleichgewicht.

Wenn Sie also ein Glas nehmen und es in einem gasförmigen Medium installieren, in dem die Temperatur zum Zeitpunkt der Untersuchung über dem Taupunkt liegt, und dann den Abkühlungsprozess dieses Glases starten, beginnt sich bei einem bestimmten Temperaturwert Wasserkondensation auf der Glasoberfläche zu bilden, und dieser Wasserdampf beginnt in die flüssige Phase überzugehen . Diese Temperatur ist nur der Taupunkt.

Die Taupunkttemperatur ist also untrennbar miteinander verbunden und hängt von Parametern wie Luftfeuchtigkeit und Druck in der Umgebung ab. Da der Druck und die Temperatur des Taupunkts gemessen werden können, ist es daher einfach, die Luftfeuchtigkeit zu bestimmen. Dieses Prinzip dient als Grundlage für den Betrieb von optischen Feuchtesensoren.

Die einfachste Schaltung eines solchen Sensors besteht aus einer LED, die auf eine Spiegeloberfläche leuchtet. Der Spiegel reflektiert das Licht, ändert seine Richtung und lenkt es zum Fotodetektor. In diesem Fall kann der Spiegel mittels einer speziellen hochpräzisen Temperaturregelvorrichtung erwärmt oder gekühlt werden. Oft ist eine solche Vorrichtung eine thermoelektrische Pumpe. Natürlich ist ein Temperatursensor am Spiegel montiert.

Vor Beginn der Messungen wird die Temperatur des Spiegels auf einen Wert eingestellt, der offensichtlich höher als die Taupunkttemperatur ist. Führen Sie dann eine allmähliche Abkühlung des Spiegels durch.In dem Moment, in dem die Temperatur beginnt, den Taupunkt zu überschreiten, kondensieren sofort Wassertropfen auf der Oberfläche des Spiegels, und der Lichtstrahl der Diode bricht aufgrund dieser Streuung und dies führt zu einer Abnahme des Stroms in der Fotodetektorschaltung. Durch Rückkopplung interagiert der Fotodetektor mit dem Temperaturregler des Spiegels.

Basierend auf Informationen, die in Form von Signalen von einem Fotodetektor erhalten werden, hält der Temperaturregler die Temperatur auf der Spiegeloberfläche genau gleich dem Taupunkt und der Temperatursensor zeigt dementsprechend die Temperatur an. Mit bekanntem Druck und bekannter Temperatur können Sie die grundlegenden Feuchtigkeitsindikatoren genau bestimmen.

Der optische Feuchtigkeitssensor weist die höchste Genauigkeit auf, die andere Sensortypen nicht erreichen können, sowie das Fehlen einer Hysterese. Der Nachteil ist der höchste Preis von allen plus ein hoher Stromverbrauch. Außerdem muss darauf geachtet werden, dass der Spiegel sauber ist.

5) Elektronisches Hygrometer

Das Funktionsprinzip des elektronischen Luftfeuchtigkeitssensors basiert auf einer Änderung der Elektrolytkonzentration, die ein elektrisches Isoliermaterial bedeckt. Es gibt solche Geräte mit automatischer Erwärmung in Bezug auf den Taupunkt.

Oft wird der Taupunkt über einer konzentrierten Lithiumchloridlösung gemessen, die sehr empfindlich auf minimale Änderungen der Luftfeuchtigkeit reagiert. Für maximalen Komfort ist ein solches Hygrometer häufig zusätzlich mit einem Thermometer ausgestattet. Dieses Gerät hat eine hohe Genauigkeit und einen geringen Fehler. Es ist in der Lage, die Luftfeuchtigkeit unabhängig von der Umgebungstemperatur zu messen.

Beliebt sind auch einfache elektronische Hygrometer in Form von zwei Elektroden, die einfach im Boden haften bleiben und deren Feuchtigkeit in Abhängigkeit von dieser Luftfeuchtigkeit entsprechend dem Leitfähigkeitsgrad steuern. Diese Sensoren sind bei Lüftern beliebt. Arduino, da es einfach ist, die automatische Bewässerung eines Gartenbeets oder einer Blume in einem Topf einzurichten, falls es nicht bequem oder bequem ist, manuell zu gießen.

Überlegen Sie sich vor dem Kauf eines Sensors, was Sie messen müssen, relative oder absolute Luftfeuchtigkeit, Luft oder Boden, wie hoch der erwartete Messbereich ist, ob Hysterese wichtig ist und welche Genauigkeit erforderlich ist. Der genaueste Sensor ist optisch. Achten Sie auf die IP-Schutzklasse, den Betriebstemperaturbereich, abhängig von den spezifischen Bedingungen, unter denen der Sensor verwendet wird, ob die Parameter für Sie geeignet sind.