Teoria dell'Accademia dell'Umidità 6 - Il sensore capacitivo

Il sensore di umidità capacitivo consiste in un materiale dielettrico igroscopico posto tra una coppia di elettrodi che forma un piccolo condensatore. La maggior parte dei sensori capacitivi usa una plastica o un polimero come materiale dielettrico, con una tipica costante dielettrica che va da 2 a 15. Quando non c'è umidità nel sensore, sia questa costante che la geometria del sensore determinano il valore della capacità. Alla normale temperatura ambiente, la costante dielettrica del vapore acqueo ha un valore di circa 80, un valore molto più grande della costante del materiale dielettrico del sensore. Pertanto, l'assorbimento del vapore acqueo da parte del sensore determina un aumento della capacità del sensore. In condizioni di equilibrio, la quantità di umidità presente in un materiale igroscopico dipende sia dalla temperatura ambiente che dalla pressione del vapore acqueo. Questo è vero per il materiale dielettrico igroscopico usato sul sensore.

Per definizione, l'umidità relativa è anche una funzione della temperatura ambiente e della pressione del vapore acqueo. Quindi c'è una relazione tra l'umidità relativa, la quantità di umidità presente nel sensore e la capacità del sensore. Questa relazione è la base del funzionamento di uno strumento di umidità capacitivo.

In uno strumento capacitivo, come praticamente in ogni altro tipo di strumento, l'umidità è misurata da un processo a catena e non misurata direttamente. Le prestazioni dello strumento sono determinate da tutti gli elementi della catena, non dal solo sensore. Poiché il sensore e l'elettronica associata non possono essere considerati separatamente, qualsiasi fattore che può disturbare il processo a catena della misurazione è destinato ad avere un effetto sulle prestazioni dello strumento.

Sensore elettronico di umidità

Sensori di umidità capacitivi Pro e Contro:

Pro:

• • Ampio range di misurazione
• • Ampio intervallo di temperatura
• • Eccellente stabilità
• • Risposta veloce
• • Recupero completo dalla condensa
.
• • Altamente resistente ai prodotti chimici
• • Piccolo
• • Basso costo
• • Richiede pochissima manutenzione

Consigli:

• •Può essere limitato dalla distanza dal sensore all'elettronica
• •Perdita di precisione relativa sotto il 5% RH
• •Richiede l'elettronica per convertire la capacità in umidità relativa

Classificazione degli errori nei sensori di umidità capacitivi

Gli errori sistematici sono prevedibili e ripetibili, sia in grandezza che in segno. Gli errori derivanti da una non linearità dello strumento o da effetti della temperatura rientrano in questo profilo. Gli errori sistematici sono specifici dello strumento

Gli errori casuali dipendono da fattori esterni allo strumento, il che significa che mentre gli errori sistematici sono prevedibili e ripetibili, gli errori casuali non lo sono. Per esempio, gli errori derivanti dall'isteresi del sensore, che definiremo in seguito, così come quelli derivanti dalla procedura di calibrazione, sono errori casuali. Di solito, gli errori casuali sono stimati sulla base di dati statistici, esperienza e giudizio.

Errori di linearità

La risposta tipica di un sensore di umidità relativa (tra 0 e 100% RH) è non lineare. A seconda dell'efficacia della correzione fatta dai circuiti elettronici, lo strumento può avere un errore di linearità. Supponendo che sia il sensore che l'elettronica associata abbiano caratteristiche riproducibili, l'errore di linearità è un errore sistematico.

Generalmente, i valori raccomandati dal produttore dello strumento per la calibrazione sono stati determinati con l'obiettivo di minimizzare l'errore di linearità. La calibrazione a questi valori dovrebbe produrre una distribuzione uniforme in più e in meno dell'errore di linearità.

Errori di temperatura

La temperatura può avere un effetto importante su diversi elementi del processo di misurazione a catena descritto in precedenza. Nel caso specifico di uno strumento di umidità capacitivo, i seguenti effetti possono produrre un errore di temperatura. Le proprietà igroscopiche del sensore variano con la temperatura. Uno strumento di umidità relativa si basa sul presupposto che la relazione tra la quantità di umidità presente nel materiale igroscopico del sensore e l'umidità relativa sia costante. Tuttavia, nella maggior parte dei materiali igroscopici, questa relazione varia con la temperatura. Inoltre, le proprietà dielettriche della molecola d'acqua sono influenzate dalla temperatura. A 20 °C, il dielettrico dell'acqua ha un valore di circa 80. Questa costante aumenta di più dell'8% a 0 °C e diminuisce del 30% a 100 °C. Anche le proprietà dielettriche dei sensori variano con la temperatura.

La costante dielettrica della maggior parte dei materiali dielettrici diminuisce all'aumentare della temperatura. Fortunatamente, l'effetto della temperatura sulle proprietà dielettriche della maggior parte dei materiali plastici è di solito più limitato che nel caso dell'acqua.

Si può dire che l'effetto della temperatura sulle proprietà dielettriche della maggior parte dei materiali è più limitato che nel caso dell'acqua.

Ogni lunghezza di cavo che collega il sensore ai circuiti elettronici ha una propria capacità e resistenza. I circuiti elettronici non possono discriminare tra il sensore e il suo cavo di collegamento. Pertanto, poiché la capacità del sensore e del cavo può variare con la temperatura, i valori di umidità riportati dall'elettronica devono essere compensati per gli effetti della temperatura. In caso contrario, possono verificarsi grandi errori di misurazione, a volte fino a 8 %rh o più.

Isteresi

L'isteresi è la differenza massima che può essere misurata tra coppie di dati corrispondenti, ottenuti eseguendo una sequenza ascendente e una discendente di condizioni di umidità. L'isteresi determina la ripetibilità di uno strumento di umidità.

Per qualsiasi strumento, il valore dell'isteresi dipende da diverse cose:

• • l'arco totale del ciclo di umidità usato per misurare l'isteresi
• • temperatura durante le misurazioni
• • criteri utilizzati per determinare l'equilibrio del sensore
• • e la storia precedente del sensore

Di solito, l'isteresi del sensore aumenta quando il sensore è esposto ad alta umidità e alta temperatura per periodi di tempo più lunghi.

Ha senso dichiarare i valori di isteresi di un sensore solo se si forniscono anche dettagli su come sono stati eseguiti i test. Nella pratica di misurazione reale, le condizioni sono estremamente diverse e l'isteresi può raggiungere o meno il suo valore massimo. Pertanto, è ragionevole considerare l'isteresi un valore casuale che non può essere né completamente previsto né compensato. Quando si specifica la precisione di uno strumento, la metà del valore massimo dell'isteresi dovrebbe essere equamente distribuita come errore positivo e negativo. Tuttavia, la ripetibilità dello strumento non dovrebbe essere specificata a meno dell'intero valore di isteresi.

Errori di calibrazione

La calibrazione consiste nel confrontare l'uscita di uno strumento di misura con un riferimento e riportare i risultati. La regolazione consiste nel cambiare l'uscita di uno strumento da calibrare per farla corrispondere all'uscita del riferimento. In alcuni casi, il servizio chiamato "calibrazione" include sia la calibrazione che la regolazione.

Gli strumenti di riferimento usati per fornire valori di umidità e temperatura noti per la calibrazione hanno i loro propri valori di accuratezza, ripetibilità e isteresi, che devono essere presi in considerazione quando si specifica l'incertezza finale dello strumento. Inoltre, nessuna regolazione fatta durante un servizio di calibrazione può replicare perfettamente il valore visto dagli strumenti di riferimento. Questi errori devono essere considerati e trattati come errori casuali nel calcolo dell'incertezza dello strumento.

Stabilità a lungo termine

Un fattore cruciale è la capacità dello strumento di restituire gli stessi valori di RH per una data condizione di umidità per un lungo periodo di tempo. Questo valore, solitamente chiamato ripetibilità, misura la capacità di uno strumento di mantenere la sua calibrazione nonostante le caratteristiche mutevoli del sensore e della sua elettronica associata per lunghi periodi di tempo. In generale, si può dividere il problema della ripetibilità in due aree: la capacità del sensore di mantenere la sua risposta ad una data condizione di umidità ad una data temperatura e la stabilità dell'elettronica nel tempo.

Resistenza chimica

I sensori di umidità a polimeri capacitivi sono sensibili alla presenza di sostanze chimiche nel gas circostante. L'entità dell'influenza dipende da una serie di parametri:

• • tipo di sostanza chimica
• • concentrazione
• • lunghezza dell'influenza
• • quantità di umidità e temperatura
• • e presenza di altre sostanze chimiche

Perché è difficile fare previsioni sulla deviazione e la durata del sensore, è meglio testare. tra i cicli di calibrazione.

Prodotti chimici non critici

Le seguenti tabelle si riferiscono all'impatto di questi gas sulla famiglia di sensori Rotronic IN-1:

• • Argon (Ar)
• • Anidride carbonica (CO₂)
• • Elio (H_e)
• • Idrogeno (H₂)
• • Neon (Ne)
• • Azoto (N2)
• • Protossido di azoto (gas esilarante, N₂O)
• • Ossigeno (O₂)

I seguenti gas non hanno nessuna o poca influenza sul sensore e sulla misura dell'umidità:

• • Butano (C₄H₁₀)
• • Etano (C₂H₆)
• • Metano (CH₄)
• • Gas naturale
• • Propano (C₃H₈)

Prodotti chimici critici

Nelle seguenti concentrazioni, i gas elencati nella seguente tabella non hanno alcuna o poca influenza sul sensore o sulla misura dell'umidità. I dati mostrati sono solo valori indicativi. La resistenza del sensore dipende fortemente dalle condizioni di temperatura e umidità e dalla durata dell'influenza dell'inquinante.

Il difetto ammesso causato dall'inquinante: +/- 2 %rh

Esempi di applicazione

A) Misura dell'umidità nella camera di sterilizzazione (ossido di etilene)

Applicazione del cliente: Sterilizzazione di apparecchiature mediche Sensore: C-94
Concentrazione ossido di etilene: 15% in volume
Anidride carbonica: 85% in volume
Pressione: Da 0,2 a 2,5 bar assoluti
Temperatura: app. 40 °C
Umidità: app. 80 %rh
Esperienza di applicazione: I sensori hanno una durata di vita di circa 3 mesi. La camera è in funzionamento continuo.

B) Misura dell'umidità nella camera di ozono

Sensore: HYGROMER HT-1
Concentrazione di ozono: app. 500 ppm
Temperatura: app. 23 °C
Umidità: app. 50 %rh
Esperienza di applicazione: I sensori hanno una durata di circa 1 mese a 500 ppm di ozono.

C) Applicazione speciale: Misura dell'umidità nell'olio

La misurazione dell'umidità direttamente nell'olio è possibile in linea di principio, ma la durata dei sensori dipende fortemente dall'olio usato. Le misurazioni nell'olio sono possibili solo con un sensore speciale, e pianificare i test.

Scopri di più sull'umidità nel seguente video: "La misura dell'umidità relativa spiegata"

Vedi i post precedenti del blog:
Teoria 1 - Cos'è l'umidità?
Teoria 2 - Umidità relativa, pressione e temperatura
Teoria 3 - Umidità e pressione del vapore
Teoria 4 - Definizioni di umidità: Concentrazione di vapore
Teoria 5 - Effetto della temperatura e della pressione sulla % rh
Guarda fuori per Teoria dell'Accademia dell'Umidità 7 sul PST Blog