Le capteur d'humidité capacitif est constitué d'un matériau diélectrique hygroscopique placé entre une paire d'électrodes qui forme un petit condensateur. La plupart des capteurs capacitifs utilisent un plastique ou un polymère comme matériau diélectrique, avec une constante diélectrique typique comprise entre 2 et 15. Lorsqu'il n'y a pas d'humidité dans le capteur, cette constante et la géométrie du capteur déterminent la valeur de la capacité. À la température ambiante normale, la constante diélectrique de la vapeur d'eau a une valeur d'environ 80, une valeur beaucoup plus grande que la constante du matériau diélectrique du capteur. Par conséquent, l'absorption de la vapeur d'eau par le capteur entraîne une augmentation de la capacité du capteur. Dans des conditions d'équilibre, la quantité d'humidité présente dans un matériau hygroscopique dépend à la fois de la température ambiante et de la pression de vapeur d'eau ambiante. C'est vrai pour le matériau diélectrique hygroscopique utilisé sur le capteur.
Par définition, l'humidité relative est également fonction à la fois de la température ambiante et de la pression de vapeur d'eau. Il existe donc une relation entre l'humidité relative, la quantité d'humidité présente dans le capteur et la capacité du capteur. Cette relation est la base du fonctionnement d'un instrument d'humidité capacitif.
Dans un instrument capacitif, comme dans pratiquement tous les autres types d'instruments, l'humidité est mesurée par un processus en chaîne et non mesurée directement. Les performances de l'instrument sont déterminées par tous les éléments de la chaîne, et non par le capteur seul. Comme le capteur et l'électronique associée ne peuvent être considérés séparément, tout facteur susceptible de perturber le processus de mesure en chaîne aura forcément un effet sur les performances de l'instrument.
Considérations d'application - Capteurs d'humidité capacitifs
Les nouvelles techniques de mesure de l'humidité, telles que le capteur d'humidité capacitif HYGROMER IN-1, ont une plus grande précision que celle de la technique du bulbe humide et sec et offrent également des caractéristiques de contrôle supérieures sur une large gamme de températures et d'humidité.
Le choix d'une technologie de capteur compatible avec votre application spécifique est essentiel pour obtenir des mesures fiables, répétables et précises.
Les erreurs sytématiques sont prévisibles et répétables, tant en magnitude qu'en signe. Les erreurs résultant d'une non-linéarité de l'instrument ou des effets de la température entrent dans ce profil. Les erreurs systématiques sont spécifiques à l'instrument.
Les erreurs aléatoires dépendent de facteurs externes à l'instrument, ce qui signifie que si les erreurs systématiques sont prévisibles et répétables, les erreurs aléatoires ne le sont pas. Par exemple, les erreurs résultant de l'hystérésis du capteur, que nous définirons plus loin, ainsi que celles résultant de la procédure d'étalonnage, sont des erreurs aléatoires. Habituellement, les erreurs aléatoires sont estimées sur la base de données statistiques, de l'expérience et du jugement.
La réponse typique d'un capteur d'humidité relative (entre 0 et 100% d'humidité relative) est non linéaire. Selon l'efficacité de la correction apportée par les circuits électroniques, l'instrument peut présenter une erreur de linéarité. En supposant que le capteur et les circuits électroniques associés ont des caractéristiques reproductibles, l'erreur de linéarité est une erreur systématique.
Attention: Une sélection imprudente des valeurs d'étalonnage peut entraîner une distribution différente de l'erreur de linéarité et peut nuire à la précision de l'instrument !
Généralement, les valeurs recommandées par le fabricant de l'instrument pour l'étalonnage ont été déterminées dans le but de minimiser l'erreur de linéarité. L'étalonnage à ces valeurs devrait produire une distribution égale en plus et en moins de l'erreur de linéarité.
La température peut avoir un effet majeur sur plusieurs éléments du processus de mesure en chaîne décrit précédemment. Dans le cas spécifique d'un instrument d'humidité capacitif, les effets suivants peuvent produire une erreur de température. Les propriétés hygroscopiques du capteur varient avec la température. Un instrument d'humidité relative repose sur l'hypothèse que la relation entre la quantité d'humidité présente dans le matériau hygroscopique du capteur et l'humidité relative est constante. Cependant, dans la plupart des matériaux hygroscopiques, cette relation varie avec la température. En outre, les propriétés diélectriques de la molécule d'eau sont affectées par la température. À 20 °C, la constante diélectrique de l'eau a une valeur d'environ 80. Cette constante augmente de plus de 8 % à 0 °C et diminue de 30 % à 100 °C. Les propriétés des diélectriques des capteurs varient également en fonction de la température.
La constante diélectrique de la plupart des matériaux diélectriques diminue lorsque la température augmente. Heureusement, l'effet de la température sur les propriétés diélectriques de la plupart des matières plastiques est généralement plus limité que dans le cas de l'eau.
Toute longueur de câble reliant le capteur aux circuits électroniques a sa propre capacitance et résistance. Les circuits électroniques ne peuvent pas faire la distinction entre le capteur et son câble de connexion. Par conséquent, comme la capacité du capteur et du câble peut varier avec la température, les valeurs d'humidité rapportées par les circuits électroniques doivent être compensées pour les effets de la température. Ne pas le faire peut entraîner des erreurs de mesure importantes, parfois jusqu'à 8 %rh ou plus.
L'hystérésis est la différence maximale qui peut être mesurée entre des paires de données correspondantes, obtenues en exécutant une séquence ascendante et une séquence descendante de conditions d'humidité. L'hystérésis détermine la répétabilité d'un instrument d'humidité.
Pour un instrument donné, la valeur de l'hystérésis dépend de plusieurs choses :
Il n'est significatif d'indiquer les valeurs d'hystérésis d'un capteur que si l'on fournit également des détails sur la façon dont les tests ont été effectués. Dans la pratique réelle des mesures, les conditions sont extrêmement diverses et l'hystérésis peut ou non atteindre sa valeur maximale. Par conséquent, il est raisonnable de considérer l'hystérésis comme une valeur aléatoire qui ne peut être ni entièrement prédite ni compensée. Lorsque la précision d'un instrument est spécifiée, la moitié de la valeur maximale de l'hystérésis doit être répartie de manière égale en tant qu'erreur positive et négative. Cependant, la répétabilité de l'instrument ne devrait pas être spécifiée à moins de la valeur totale de l'hystérésis.
L'étalonnage consiste à comparer la sortie d'un instrument de mesure à une référence et à rapporter les résultats. L'ajustement consiste à modifier la sortie d'un instrument en cours d'étalonnage pour qu'elle corresponde à la sortie de la référence. Dans certains cas, le service nommé "étalonnage" comprend à la fois l'étalonnage et l'ajustement.
Les instruments de référence utilisés pour fournir des valeurs d'humidité et de température connues pour l'étalonnage ont leurs propres valeurs de précision, de répétabilité et d'hystérésis, qui doivent être prises en compte lors de la spécification de l'incertitude finale de l'instrument. En outre, aucun réglage effectué au cours d'un service d'étalonnage ne peut reproduire parfaitement la valeur vue par les instruments de référence. Ces erreurs doivent être prises en compte et traitées comme des erreurs aléatoires dans le calcul de l'incertitude des instruments.
Un facteur crucial est la capacité de l'instrument à renvoyer les mêmes valeurs d'HR pour une condition d'humidité donnée sur une longue période de temps. Cette valeur, généralement appelée répétabilité, mesure la capacité d'un instrument à maintenir son étalonnage malgré les caractéristiques changeantes du capteur et de son électronique associée sur de longues périodes. En général, on peut diviser le problème de la répétabilité en deux domaines : la capacité du capteur à maintenir sa réponse à une condition d'humidité donnée à une température donnée et la stabilité de l'électronique au fil du temps.
Les capteurs d'humidité à polymère capacitif sont sensibles à la présence de produits chimiques dans le gaz environnant. L'importance de l'influence dépend d'un certain nombre de paramètres :
Parce qu'il est difficile de faire des prédictions sur l'écart et la durée de vie du capteur, il est préférable de faire des tests. entre les cycles d'étalonnage.
Les tableaux suivants font référence à l'impact de ces gaz sur la famille de capteurs Rotronic IN-1 :
Les gaz suivants n'ont pas ou peu d'influence sur le capteur et la mesure d'humidité :
Dans les concentrations suivantes, les gaz énumérés dans le tableau suivant n'ont pas ou peu d'influence sur le capteur ou la mesure de l'humidité. Les données indiquées ne sont que des valeurs indicatives. La résistance du capteur dépend fortement des conditions de température et d'humidité et de la durée de l'influence du polluant.
La résistance du capteur dépend de la température et de l'humidité.
Défaut autorisé causé par le polluant : +/- 2 %rh
Application client : Stérilisation d'équipements médicaux Capteur : C-94
Concentration Oxyde d'éthylène : 15% en volume
Dioxyde de carbone : 85% en volume
Pression : 0,2 à 2,5 bars absolus
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Température : app. 40 °C
Humidité : app. 80 %rh
Expérience d'application : Les capteurs ont une durée de vie d'environ 3 mois. La chambre est en fonctionnement continu.
Capteur : HYGROMER HT-1
Concentration d'ozone : app. 500 ppm
Température : app. 23 °C
Humidité : app. 50 %rh
Expérience d'application : Les capteurs ont une durée de vie d'environ 1 mois à 500 ppm d'ozone.
La mesure de l'humidité directement dans l'huile est en principe possible, mais la durée de vie des capteurs dépend fortement de l'huile utilisée. Les mesures dans l'huile ne sont possibles qu'avec un capteur spécial, et prévoyez des tests.
Apprenez-en plus sur l'humidité dans la vidéo suivante : "La mesure de l'humidité relative expliquée"
.Voir les précédents articles du blog :
Théorie 1 - Qu'est-ce que l'humidité ?
Théorie 2 - Humidité relative, pression et température
Théorie 3 - Humidité et pression de vapeur
Théorie 4 - Définitions de l'humidité : Concentration de vapeur
Théorie 5 - Effet de la température et de la pression sur le % rh
Surveillez la partie 7 de la théorie de l'Académie de l'humidité sur le blog PST
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