O sensor de umidade capacitivo consiste em um material dielétrico higroscópico colocado entre um par de eletrodos que forma um pequeno capacitor. A maioria dos sensores capacitivos usa um plástico ou polímero como material dielétrico, com uma constante dielétrica típica que varia de 2 a 15. Quando não há umidade no sensor, essa constante e a geometria do sensor determinam o valor da capacitância. Em temperatura ambiente normal, a constante dielétrica do vapor de água tem um valor de aproximadamente 80, um valor muito maior do que a constante do material dielétrico do sensor. Portanto, a absorção do vapor de água pelo sensor resulta em um aumento na capacitância do sensor. Em condições de equilíbrio, a quantidade de umidade presente em um material higroscópico depende tanto da temperatura ambiente quanto da pressão do vapor de água ambiente. Isso é verdadeiro para o material dielétrico higroscópico usado no sensor.
Por definição, a umidade relativa também é uma função da temperatura ambiente e da pressão do vapor de água. Portanto, há uma relação entre a umidade relativa, a quantidade de umidade presente no sensor e a capacitância do sensor. Essa relação é a base da operação de um instrumento de umidade capacitiva.
Em um instrumento capacitivo, como em praticamente qualquer outro tipo de instrumento, a umidade é medida por um processo em cadeia e não é medida diretamente. O desempenho do instrumento é determinado por todos os elementos da cadeia, e não apenas pelo sensor. Como o sensor e os componentes eletrônicos associados não podem ser considerados separadamente, qualquer fator que possa perturbar o processo de medição em cadeia certamente afetará o desempenho do instrumento.
Considerações sobre a aplicação - Sensores de umidade capacitivos
As técnicas mais recentes de medição de umidade, como o sensor de umidade capacitivo HYGROMER IN-1, têm maior precisão do que a técnica de bulbo úmido e seco e também oferecem características de controle superiores em uma ampla faixa de temperaturas e umidade.
A escolha da tecnologia de sensores compatível com sua aplicação específica é fundamental para obter medições confiáveis, repetíveis e precisas.
Os erros sistemáticos são previsíveis e repetíveis, tanto em magnitude quanto em sinal. Os erros resultantes de uma não linearidade do instrumento ou dos efeitos da temperatura se enquadram nesse perfil. Os erros sistemáticos são específicos do instrumento.
Os erros aleatórios dependem de fatores externos ao instrumento, o que significa que, embora os erros sistemáticos sejam previsíveis e repetíveis, os erros aleatórios não o são. Por exemplo, os erros resultantes da histerese do sensor, que definiremos a seguir, bem como os erros resultantes do procedimento de calibração, são erros aleatórios. Normalmente, os erros aleatórios são estimados com base em dados estatísticos, experiência e julgamento.
A resposta típica de um sensor de umidade relativa (entre 0 e 100% RH) é não linear. Dependendo da eficácia da correção feita pelos circuitos eletrônicos, o instrumento pode apresentar um erro de linearidade. Supondo que o sensor e os componentes eletrônicos associados tenham características reproduzíveis, o erro de linearidade é um erro sistemático.
Atenção: A seleção descuidada dos valores de calibração pode resultar em uma distribuição diferente do erro de linearidade e pode ser prejudicial à precisão do instrumento!
Geralmente, os valores recomendados pelo fabricante do instrumento para calibração foram determinados com o objetivo de minimizar o erro de linearidade. A calibração com esses valores deve produzir uma distribuição uniforme para mais e para menos do erro de linearidade.
A temperatura pode ter um efeito importante em vários elementos do processo de medição em cadeia descrito anteriormente. No caso específico de um instrumento capacitivo de umidade, os seguintes efeitos podem produzir um erro de temperatura. As propriedades higroscópicas do sensor variam com a temperatura. Um instrumento de umidade relativa se baseia na suposição de que a relação entre a quantidade de umidade presente no material higroscópico do sensor e a umidade relativa é constante. Entretanto, na maioria dos materiais higroscópicos, essa relação varia com a temperatura. Além disso, as propriedades dielétricas da molécula de água são afetadas pela temperatura. A 20 °C, o dielétrico da água tem um valor de aproximadamente 80. Essa constante aumenta em mais de 8% a 0 °C e diminui em 30% a 100 °C. As propriedades dielétricas do sensor também variam com a temperatura.
A constante dielétrica da maioria dos materiais dielétricos diminui com o aumento da temperatura. Felizmente, o efeito da temperatura sobre as propriedades dielétricas da maioria dos plásticos é geralmente mais limitado do que no caso da água.
Qualquer comprimento de cabo que conecte o sensor aos circuitos eletrônicos tem sua própria capacitância e resistência. Os circuitos eletrônicos não conseguem distinguir entre o sensor e o cabo de conexão. Portanto, como a capacitância do sensor e do cabo pode variar com a temperatura, os valores de umidade informados pelos circuitos eletrônicos devem ser compensados pelos efeitos da temperatura. Se isso não for feito, poderá resultar em grandes erros de medição, às vezes de até 8%rh ou mais.
A histerese é a diferença máxima que pode ser medida entre pares de dados correspondentes, obtidos pela execução de uma sequência ascendente e descendente de condições de umidade. A histerese determina a repetibilidade de um instrumento de umidade.
Para um determinado instrumento, o valor da histerese depende de vários fatores:
Só faz sentido declarar os valores de histerese de um sensor e, ao mesmo tempo, fornecer detalhes sobre como os testes foram realizados. Na prática real de medição, as condições são extremamente diversas e a histerese pode ou não atingir seu valor máximo. Portanto, é razoável considerar a histerese um valor aleatório que não pode ser totalmente previsto nem compensado. Quando a precisão de um instrumento é especificada, metade do valor máximo da histerese deve ser distribuída igualmente como um erro positivo e negativo. Entretanto, a repetibilidade do instrumento não deve ser especificada com menos do que o valor total da histerese.
A calibração consiste em comparar a saída de um instrumento de medição com uma referência e relatar os resultados. O ajuste consiste em alterar a saída de um instrumento que está sendo calibrado para que corresponda à saída da referência. Em alguns casos, o serviço denominado “calibração” inclui tanto a calibração quanto o ajuste.
Os instrumentos de referência usados para fornecer valores conhecidos de umidade e temperatura para calibração têm seus próprios valores de precisão, repetibilidade e histerese, que devem ser levados em consideração ao especificar a incerteza final do instrumento. Além disso, nenhum ajuste feito durante um serviço de calibração pode reproduzir perfeitamente o valor visto pelos instrumentos de referência. Esses erros devem ser considerados e tratados como erros aleatórios no cálculo da incerteza do instrumento.
Um fator crucial é a capacidade do instrumento de retornar os mesmos valores de UR para uma determinada condição de umidade durante um longo período de tempo. Esse valor, normalmente denominado repetibilidade, mede a capacidade de um instrumento de manter sua calibração apesar das mudanças nas características do sensor e de seus componentes eletrônicos associados durante longos períodos de tempo. Em geral, é possível dividir o problema da repetibilidade em duas áreas: a capacidade do sensor de manter sua resposta a uma determinada condição de umidade em uma determinada temperatura e a estabilidade dos componentes eletrônicos ao longo do tempo.
Os sensores de umidade de polímero capacitivo são sensíveis à presença de produtos químicos no gás circundante. A quantidade de influência depende de vários parâmetros:
Como é difícil fazer previsões sobre o desvio e a vida útil do sensor, é melhor testar entre os ciclos de calibração.
As tabelas a seguir referem-se ao impacto desses gases na família de sensores Rotronic IN-1:
Os seguintes gases têm pouca ou nenhuma influência sobre o sensor e a medição de umidade:
Nas concentrações a seguir, os gases listados na tabela a seguir têm pouca ou nenhuma influência sobre o sensor ou a medição de umidade. Os dados mostrados são apenas valores de referência. A resistência do sensor depende muito das condições de temperatura e umidade e da duração da influência do poluente.
A falha permitida causada pelo poluente: +/- 2 %rh
Aplicação do cliente: Esterilização de equipamentos médicos Sensor: C-94
Concentração Óxido de etileno: 15% por volume
Dióxido de carbono: 85% em volume
Pressão: 0,2 a 2,5 bar absoluto
Temperatura: app. 40 °C
Umidade: app. 80 %rh
Experiência de aplicação: Os sensores têm uma vida útil de aproximadamente 3 meses. A câmara está em operação contínua.
Sensor: HYGROMER HT-1
Concentração de ozônio: app. 500 ppm
Temperatura: app. 23 °C
Umidade: app. 50 %rh
Experiência de aplicação: Os sensores têm uma vida útil de aproximadamente 1 mês a 500 ppm de ozônio.
Em princípio, a medição de umidade diretamente no óleo é possível, mas a vida útil dos sensores depende muito do óleo usado. As medições em óleo só são possíveis com um sensor especial e planejadas para testes.
Saiba mais sobre umidade no vídeo a seguir: “Explained Relative Humidity Measurement” (Medição de umidade relativa explicada)
Veja as postagens anteriores do blog:
Teoria 1 - O que é umidade?
Teoria 2 - Umidade relativa, pressão e temperatura
Teoria 3 - Umidade e pressão de vapor
Teoria 4 - Definições de umidade: Concentração de vapor
Teoria 5 - Efeito da temperatura e da pressão em % rh
Fique atento à parte 7 da Teoria da Academia da Umidade no Blog da PST
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