Feuchtegenauigkeit entmystifiziert: Was Sie für exakte Messungen wissen müssen

Feuchtemessung beherrschen: Wichtige Einblicke für mehr Genauigkeit

Der Vergleich der langfristigen Leistung von Messgeräten für die relative Luftfeuchtigkeit umfasst viel mehr als nur den Vergleich der angegebenen Genauigkeitsspezifikationen. Die Genauigkeitsspezifikationen bieten zwar einen guten Ausgangspunkt, sagen aber nicht alles über die Gesamtleistung eines Messgeräts aus, insbesondere unter realen Bedingungen im Laufe der Zeit. In diesem Blog werden wir über die Genauigkeitsspezifikationen hinausgehen und vier kritische Faktoren aufdecken, die Sie bei der Auswahl eines Messgeräts für relative Feuchte berücksichtigen müssen.

1. Definitionen und Abgrenzung

Genauigkeitist nicht dasselbe wie die Unsicherheit, kann aber als Teil einer technischen Spezifikation verwendet werden. Die Genauigkeit ist ein qualitativer Begriff, kann aber durch einen Ausdruck für die Unsicherheit einer Messung definiert werden.

So kann beispielsweise eine Kalibrierung vor der Auslieferung die angegebene Spezifikation oder Genauigkeit eines Geräts „erklären“.

Die in der technischen Spezifikation von Rotronic angegebene Genauigkeit bezieht sich auf die maximale Differenz zwischen einem von einem Referenzgerät gemessenen Messwert und dem von einem Prüfling (Zu prüfendes Gerät) ermittelten Wert, die als Messfehler bezeichnet wird.

Messunsicherheit einer Kalibrierung ist definiert als der Bereich, in dem der „wahre Wert“ voraussichtlich liegen wird. Zum Beispiel könnte ein IUT (Instrument Under Test) bei einem Referenzwert von 35,0 % rh 34,8 % rh mit einer Unsicherheit von ± 0,4 % rh anzeigen. Das bedeutet, dass der wahre Wert voraussichtlich im Bereich von 34,4 % rh bis 35,2 % rh liegen wird.

Toleranz wird in der technischen Spezifikation von Rotronic als Grenzwert für den maximal zulässigen Messfehler verwendet und ist nicht dasselbe wie die Messunsicherheit. Daher wird die Unsicherheit einer Messung zusätzlich benötigt, um zu entscheiden, ob eine Anwendungsspezifikation erfüllt ist.

Spezifikation ist nicht gleichbedeutend mit Unsicherheit. Eine Spezifikation informiert den Kunden darüber, welche Art von Leistung von einem bestimmten Produkt in jedem Betriebsbereich vernünftigerweise erwartet werden kann. Der maximal zulässige Messfehler und die Messunsicherheit sollten berücksichtigt werden.

2. Klassifizierung von Fehlern bei der kapazitiven Feuchtemessung

Temperatur- und Druckabhängigkeit

Die relative Luftfeuchte hängt von der Temperatur und dem Druck ab.

Rotronic HygroClip Fühler kompensieren automatisch die physikalische Temperaturabhängigkeit. Die fortschrittliche Elektronik beinhaltet Sättigungsdampfdrucktabellen, die auf den WMO-Standards basieren, um die genauen Korrekturen zu ermöglichen.

Der Gesamtgasdruck wird bei den üblichen Messungen der relativen Luftfeuchtigkeit normalerweise nicht berücksichtigt. Eine Ausnahme bildet ein großer Druckunterschied, z. B. von mehreren bar. So liefern beispielsweise Messungen der relativen Luftfeuchtigkeit am Ausgang einer Druck- oder Vakuumkammer aufgrund der Auswirkungen von Druckschwankungen andere Werte als die tatsächliche relative Luftfeuchtigkeit im Inneren der Kammer.

Rotronic HygroClip Fühler können mit unterschiedlichen Drücken programmiert werden, um eine bessere Kompensation zu ermöglichen, insbesondere bei der Ausgabe von berechneten Werten wie dem Taupunkt.

Temperaturfehler
Die Temperatur kann einen großen Einfluss auf verschiedene Aspekte der Feuchtigkeitsmessung haben. Die Komponenten aller elektronischen Geräte können durch Temperaturänderungen beeinflusst werden. Zusätzlich hat der kapazitive Feuchtesensor hygroskopische Eigenschaften, die mit der Temperatur variieren. Auch die Genauigkeit des Temperatursensors selbst, der auch zur Kompensation verwendet wird, hat einen Einfluss auf die Genauigkeit der Feuchtemessung

HygroClip - Feuchtefühler-Temperaturkompensation

Alle Sensoren für relative Luftfeuchtigkeit erfordern eine Kompensation des Temperatureinflusses auf das Ausgangssignal der Luftfeuchtigkeit, um genaue Messungen über einen großen Temperaturbereich zu gewährleisten. Der AirChip 3000 im Rotronic Hycroclip-Fühler speichert eine Reihe von 31 Tabellen, die den Temperaturwerten im Bereich von -100 °C bis +200 ˚C entsprechen. Jede Tabelle enthält Kompensationsdaten zwischen 0 % rF und 100 % rF in Schritten von 10 % rF. In Kombination mit der hochgenauen Temperaturmessung, dem sehr geringen Stromverbrauch und der damit verbundenen geringen Eigenerwärmung sowie der fortschrittlichen Elektronik ermöglicht der Rotronic HygroClip außergewöhnlich genaue Messungen der relativen Feuchte und der Temperatur in einem breiten Temperaturbereich.

Linearitätsfehler

Der ideale Sensor ist völlig linear in Bezug auf die Feuchte im Verhältnis zum Ausgang (siehe Abb. 2), aber die typische Reaktion eines Sensors für relative Feuchte (zwischen 0...100 % rh) ist nichtlinear. Je nach der Wirksamkeit der von den elektronischen Schaltkreisen vorgenommenen Korrektur kann das Gerät einen Linearitätsfehler aufweisen. Wenn sowohl der Sensor als auch die zugehörige Elektronik reproduzierbare Eigenschaften haben, ist der Linearitätsfehler ein systematischer Fehler.

Die Kapazität des Feuchtigkeitssensors, der in Verbindung mit dem AirChip3000 verwendet wird, ist eine nichtlineare Funktion der relativen Feuchtigkeit (% rh). Der AirChip3000 ändert die vom Feuchtesensor gelesenen Rohwerte in lineare Werte und kompensiert diese Werte für die Auswirkung der Temperatur auf den Feuchtesensor und einzigartige Kompensationswerte für jeden Fühler.

HygroClip-Feuchtesensor Linearisierung

Jeder HygroClip-Fühler verfügt über einen eingebauten Mikrocontroller namens AirChip3000, der im Speicher zwei Tabellen (A1 % und A2 %) mit Korrekturen (Linearisierung) enthält, die auf die vom Feuchtefühler erzeugten Rohdaten anzuwenden sind. Jede Tabelle enthält 101 Werte (von 0 bis 100 % rh, in Schritten von 1 % rh), um eine sehr präzise Linearisierung des Feuchtesensors zu erreichen. Die Tabelle A1 % enthält die werkseitigen Standardwerte. Die Tabelle A2 % enthält die zusätzlichen Korrekturen, die sich aus den vom Benutzer vorgenommenen Einstellungen ergeben. Der linearisierte Feuchtewert ergibt sich durch Addition der entsprechenden Korrekturwerte aus beiden Tabellen zum Rohfeuchtewert. Für dazwischenliegende Rohwerte wird eine Interpolation verwendet. Der Benutzer kann den AirChip3000 jederzeit auf seine ursprünglichen Werkseinstellungen zurücksetzen.

Im Allgemeinen werden die vom Gerätehersteller für den Abgleich empfohlenen Werte mit dem Ziel festgelegt, den Linearitätsfehler zu minimieren. Eine Justierung bei diesen Werten sollte den Linearitätsfehler verringern.

Empfehlung Rotronic für Einstellpunkte:

Eine 3-Punkt-Justierung für Feuchtigkeits- und Temperaturmessungen gewährleistet eine präzise Sensorleistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen.

1. Erster Anpassungspunkt bei 23 °C und 35 %rF: Dieser Standard-Einstellpunkt wird verwendet, um die Grundliniengenauigkeit des Sensors unter typischen Umgebungsbedingungen zu verbessern. Die Justierung an diesem Punkt trägt dazu bei, zuverlässige Messungen in moderaten Umgebungen zu gewährleisten.
2. Zweiter Einstellpunkt bei 23 °C und darüber z. B. 50 %rh -80 %rh: Der Einstellpunkt bei einer höheren Luftfeuchtigkeit, z. B. 80 % relative Luftfeuchtigkeit, verbessert die Fähigkeit des Sensors, unter feuchteren Bedingungen genau zu messen. Dieser Schritt ist entscheidend für die Validierung der Leistung bei erhöhter Luftfeuchtigkeit und stellt sicher, dass der Sensor über seinen gesamten Betriebsbereich hinweg genau bleibt.
3. Dritter Einstellpunkt bei 23 °C und darunter z. B. 10 %rh -20 %rh: Dieser niedrige Feuchtigkeitseinstellpunkt verbessert die Leistung des Sensors unter trockeneren Bedingungen. Die Einstellung auf unter 20 % rh ist wichtig, um sicherzustellen, dass der Sensor auch in Umgebungen mit minimaler Feuchtigkeit präzise Daten erfassen und melden kann.

Durch die Verwendung dieser drei verschiedenen Punkte stellt die Justierung sicher, dass die Gesamtgenauigkeit des Sensors optimiert wird und die Toleranzwerte über ein breites Feuchtespektrum eingehalten werden.

Anpassungsfehler

Bei der Kalibrierung wird der Ausgang eines Messgeräts mit einer Referenz verglichen und die Ergebnisse werden mitgeteilt. Bei der Justierung wird die Ausgabe eines Messgeräts geändert und so kalibriert, dass sie mit der Ausgabe der Referenz übereinstimmt.

Die Referenzgeräte, die verwendet werden, um bekannte Feuchte- und Temperaturwerte für die Kalibrierung zu liefern, haben ihre eigene Unsicherheit, die sich aus den Werten für Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Reproduzierbarkeit und Hysterese zusammensetzt und die bei der Angabe der endgültigen Geräteunsicherheit berücksichtigt werden muss. Wenn bei einer Kalibrierung keine Justierung vorgenommen wird, muss der Messfehler berücksichtigt und in die Berechnung des Geräteergebnisses einbezogen oder als unkorrigierter Fehler zur Genauigkeit addiert werden.

Abgleich mit Rotronic-Feuchtestandards

Da die Temperatur einen Einfluss auf die Gleichgewichtsfeuchte der Rotronic-Feuchtestandards hat, muss die Differenz zwischen dem Kalibrierungswert bei 23 °C aus dem Zertifikat und dem Feuchtewert der tatsächlichen Temperatur aus der Tabelle manuell zur Eingabe des Justierreferenzwertes addiert werden.

Hysterese

Die Hysterese ist die maximale Differenz, die zwischen korrespondierenden Datenpaaren gemessen werden kann, die durch eine aufsteigende und absteigende Abfolge von Feuchtebedingungen erhalten werden. Die Hysterese bestimmt die Reproduzierbarkeit eines Feuchtigkeitsmessgerätes.

Der Wert der Hysterese für ein bestimmtes Instrument hängt von mehreren Faktoren ab:

• Die Gesamtspanne des zur Messung der Hysterese verwendeten Feuchtigkeitszyklus
• Expositionszeit des Sensors bei jeder Feuchtigkeitsbedingung
• Temperaturstabilität während der Messung
• Kriterien zur Bestimmung des Sensorgleichgewichts und der bisherigen Sensorhistorie

Normalerweise nimmt die Sensorhysterese zu, wenn der Sensor über einen längeren Zeitraum hoher Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturen ausgesetzt ist.

Es ist nur sinnvoll, die Hysteresewerte eines Sensors anzugeben und gleichzeitig zu erläutern, wie die Tests durchgeführt wurden. In der realen Messpraxis sind die Bedingungen extrem unterschiedlich, und die Hysterese kann ihren Maximalwert erreichen oder auch nicht. Daher ist es vernünftig, die Hysterese als einen Zufallswert zu betrachten, der weder vollständig vorhergesagt noch kompensiert werden kann. Bei der Festlegung der Genauigkeit eines Messgeräts sollte die Hälfte des Höchstwerts der Hysterese gleichmäßig als positiver und negativer Fehler verteilt sein. Die Reproduzierbarkeit des Instruments sollte jedoch nicht mit weniger als dem vollen Wert der Hysterese angegeben werden.

3. Die Genauigkeit der Luftfeuchtigkeit verstehen

Genauigkeit bedeutet im Zusammenhang mit Messinstrumenten in der Regel die enge Übereinstimmung zwischen einem gemessenen Mengenwert und einem wahren Mengenwert. In der Praxis ist es jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass es so etwas wie einen „wahren“ Wert nicht gibt - jede Messung ist mit einer gewissen Messunsicherheit und einem Messfehler verbunden. Die Genauigkeitsspezifikation auf einem Rotronic-Datenblatt beschreibt lediglich die zulässige Differenz zwischen den Messwerten Ihres Gerätes und einem Referenzgerät (Messfehler).

In vielen Fällen reicht die Genauigkeitsspezifikation allein nicht aus, um die langfristige Zuverlässigkeit eines Feuchtesensors zu bewerten, insbesondere wenn Sie in Umgebungen mit variablen Bedingungen arbeiten. Hier ist der Grund dafür:

• Die Rotronic Genauigkeitsspezifikation beinhaltet keine Faktoren wie Hysterese, Wiederholbarkeit, Linearität, Langzeitstabilität und Messunsicherheit.

4. Genauigkeitsschwankungen über Temperaturbereiche

Die meisten Genauigkeitsangaben gelten nur bei einer bestimmten Temperatur oder innerhalb eines engen Temperaturbereichs, z. B. ±0,8 % rh bei 23 °C oder innerhalb eines Bereichs von 20 °C ± 5 °C. Wenn Sie das Gerät außerhalb dieser Parameter verwenden, wird sich seine Genauigkeit wahrscheinlich verschlechtern. Dies liegt daran, dass die Sonden für die relative Feuchte temperaturempfindlich sind und ihre Leistung durch Änderungen der Umgebungstemperatur beeinträchtigt wird.

Worauf Sie achten sollten:

• Temperaturempfindlichkeit: Bei vielen Fühlern für relative Feuchte nimmt die Genauigkeit ab, wenn die Temperatur von der Kalibriertemperatur abweicht. Dies ist besonders wichtig in Branchen wie Umweltkammern oder Prozesskontrollsystemen, in denen die Temperaturen stark schwanken.

5. Messunsicherheit bei der Kalibrierung: Ein kritischer Faktor

Jede Messung, egal wie genau, ist mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. Selbst Messungen von nationalen Metrologieinstituten wie dem NIST (National Institute of Standards and Technology) sind mit einer Unsicherheitsangabe versehen. Kalibrierungsunsicherheit bezieht sich auf die Genauigkeit des Kalibrierverfahrens und ist eine Schlüsselinformation für das Verständnis der Gesamtgenauigkeit eines Feuchtigkeitsmessgeräts.

6. Langfristige Drift (Stabilität): Die versteckte Herausforderung

Alle Messinstrumente der relativen Luftfeuchte unterliegen einer gewissen Langzeitdrift - einer Veränderung der Messwerte im Laufe der Zeit aufgrund von Faktoren wie Alterung der elektronischen Komponenten, mechanischer Verschleiß und Verschmutzung. Kapazitive Sensoren für relative Luftfeuchte sind anfällig für Drift, da sie der Umgebung, die sie messen, ausgesetzt sind. Eine Alterung des Polymers im Feuchtesensor ist ein normales Verhalten, es zeigt normalerweise einen höheren Wert an, je höher die Luftfeuchte ist.

Bei Überschreitung einer Drift von mehr als 3 % rF empfiehlt Rotronic den Austausch des Sensors, da der Sensor dann immer schneller driftet.

• Alterung von elektronischen Bauteilen
• Mechanische Zersetzung von Materialien
• Verunreinigungen wie Staub, Partikel oder chemische Dämpfe

Langfristige Drift kann vorhersehbar oder unvorhersehbar sein, je nach Konstruktion des Sensors und der Umgebung. Während Temperatursensoren oft versiegelt werden können, um Verunreinigungen zu vermeiden, sind Sensoren für relative Luftfeuchte in der Regel „Luftatmer“, was sie anfälliger für Umwelteinflüsse macht.

7. Umgang mit Schadstoffen: Partikel und Dämpfe

rF-Sensoren sind besonders empfindlich gegenüber Verunreinigungen in der Umgebung. Diese Verunreinigungen können die Messwerte je nach Art und Konzentration vorübergehend oder dauerhaft beeinträchtigen. Die beiden häufigsten Arten von Verunreinigungen sind: Gase und Dämpfe

• Partikuläre Verunreinigungenwie Staub oder Salze, können sich auf dem Sensor ansammeln und seine Messwerte beeinträchtigen. In den meisten Fällen verlangsamen Feinstaubpartikel die Reaktionszeit oder verursachen Messabweichungen bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit (je nach Salzart) aufgrund eines Mikroklimas auf dem Sensor.
• Verunreinigungen durch Dämpfe, wie z. B. flüchtige organische Verbindungen (VOC), können dazu führen, dass die Sensormesswerte driften, insbesondere in geschlossenen Systemen wie Umweltkammern.

Die Auswahl der richtigen Schutzfilter und die regelmäßige Reinigung können dazu beitragen, die Auswirkungen von Partikelverunreinigungen zu verringern, aber Dampfverunreinigungen sind viel schwieriger zu filtern.

In rauen Umgebungen kann eine Verkürzung der Kalibrier- und Justierzyklen zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit beitragen, da eine höhere jährliche Drift zu erwarten ist.

Schlussfolgerung: Schauen Sie über die Spezifikation der Genauigkeit hinaus

Die Wahl des richtigen Messgeräts für die relative Luftfeuchtigkeit erfordert mehr als nur einen Blick auf die Genauigkeitsangaben in einem Datenblatt. Faktoren wie Temperaturbereich, Kalibrierunsicherheit, Langzeitdrift und Umweltverschmutzung spielen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der tatsächlichen Langzeitleistung Ihres Geräts. Um eine Überschreitung der Toleranzgrenzen zu vermeiden, sollten Sie sich eingehender mit den Produktdaten befassen, mit den Herstellern sprechen, die Spezifikationen auf Ihren spezifischen Anwendungsfall abstimmen und sicherstellen, dass Sie bei der Installation, Wartung und Kalibrierung des Geräts die besten Verfahren anwenden.

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