Exatidão da umidade desmistificada: O que você precisa saber para obter medições precisas

Dominando a medição de umidade: Principais percepções para melhorar a precisão

Comparar o desempenho de longo prazo de instrumentos de medição de umidade relativa envolve muito mais do que simplesmente comparar suas especificações de precisão listadas. Embora as especificações de precisão ofereçam um bom ponto de partida, elas não contam toda a história do desempenho geral de um instrumento, especialmente em condições reais ao longo do tempo. Neste blog, iremos além das especificações de precisão para descobrir quatro fatores críticos que você precisa considerar ao selecionar um instrumento de medição de umidade relativa.

1. Definições e diferenciação

A precisão não é o mesmo que incerteza, mas pode ser usada como parte de uma especificação técnica. A precisão é um termo qualitativo, mas pode ser definida usando uma expressão da incerteza de uma medição.

Por exemplo, uma calibração antes da entrega pode “declarar” a especificação ou a precisão de um instrumento.

A precisão, conforme declarado na especificação técnica da Rotronic, refere-se à diferença máxima entre um valor de medição obtido por um instrumento de referência e aquele fornecido por um IUT (Instrument Under Test), que é conhecido como erro de medição.

Incerteza de medição de uma calibração é definida como a faixa na qual se espera que o “valor verdadeiro” esteja. Por exemplo, um IUT (Instrument Under Test) em um valor de referência de 35,0 % rh pode ler 34,8 % rh com uma incerteza de ± 0,4 % rh. Isso significa que se espera que o valor real esteja na faixa de 34,4 %rh a 35,2 %rh.

Tolerância é usado na especificação técnica da Rotronic como um limite máximo permitido de erro de medição e não é o mesmo que incerteza de medição. Portanto, a incerteza de uma medição é necessária adicionalmente para permitir decidir se uma especificação de aplicação foi atendida.

Especificação não é o mesmo que incerteza. Uma especificação permite que o cliente saiba que tipo de desempenho pode ser razoavelmente esperado de um determinado produto em cada faixa de operação. O erro de medição máximo permitido e a incerteza de medição devem ser considerados.

2. Classificação de erros na medição de umidade capacitiva

Dependência de temperatura e pressão

A umidade relativa depende da temperatura e da pressão.

As sondas HygroClip da Rotronic compensam automaticamente a dependência da temperatura física. A eletrônica avançada inclui tabelas de pressão de vapor de saturação semelhantes, baseadas nos padrões da WMO, para permitir correções precisas.

A pressão total do gás geralmente não é considerada nas medições comuns de umidade relativa. Uma exceção é quando há uma grande diferença de pressão, por exemplo, de vários bar. Por exemplo, as medições de umidade relativa na saída de uma câmara de pressão ou vácuo fornecerão leituras diferentes da umidade relativa real dentro da câmara devido ao impacto das mudanças de pressão.

As sondas Rotronic HygroClip podem ser programadas com diferentes pressões para permitir uma compensação aprimorada, especialmente ao emitir valores calculados como o ponto de orvalho.

Erros de temperatura
A temperatura pode ter um efeito importante em vários aspectos da medição de umidade. Os componentes de todos os componentes eletrônicos podem ser afetados pelas mudanças de temperatura. Além disso, o sensor de umidade capacitivo tem propriedades higroscópicas que variam com a temperatura. Além disso, a precisão do próprio sensor de temperatura, que também é usado para compensar, tem impacto sobre a precisão da medição de umidade

HygroClip - Compensação de temperatura do sensor de umidade

Todos os sensores de umidade relativa requerem compensação para o efeito da temperatura no sinal de saída de umidade para manter medições precisas em uma ampla faixa de condições de temperatura. O AirChip 3000 dentro da sonda Rotronic Hycroclip mantém um conjunto de 31 tabelas na memória correspondentes a valores de temperatura dentro da faixa de -100 °C a +200 ˚C. Cada tabela contém dados de compensação entre 0 % rh e 100 % rh em passos de 10 % rh. Combinado com a medição de temperatura de alta precisão, potência muito baixa e, portanto, design de baixo autoaquecimento e eletrônica avançada, o Rotronic HygroClip pode obter medições excepcionalmente precisas de umidade relativa e temperatura em uma ampla faixa de temperaturas.

Erros de linearidade

O sensor ideal é totalmente linear em termos de umidade versus sua saída (veja a Figura 2), mas a resposta típica de um sensor de umidade relativa (entre 0...100 % rh) é não linear. Dependendo da eficácia da correção feita pelos circuitos eletrônicos, o instrumento pode apresentar um erro de linearidade. Se tanto o sensor quanto os componentes eletrônicos associados tiverem características reproduzíveis, o erro de linearidade será um erro sistemático.

A capacitância do sensor de umidade usado em conjunto com o AirChip3000 é uma função não linear da umidade relativa (% rh). O AirChip3000 altera os valores brutos lidos do sensor de umidade para valores lineares e compensa esses valores para o efeito da temperatura no sensor de umidade e valores de compensação exclusivos para cada sonda.

Linearização do sensor de umidade HygroClip

Cada HygroClip Probe tem um microcontrolador embutido chamado AirChip3000, que mantém na memória um conjunto de duas tabelas (A1 % e A2 %) que consistem em correções (linearização) a serem aplicadas aos dados brutos de umidade gerados pelo sensor de umidade. Cada tabela contém 101 valores (de 0 a 100 % rh, em etapas de 1 % rh) para obter uma linearização muito precisa do sensor de umidade. A tabela A1 % contém os valores padrão de fábrica. A tabela A2 % contém as correções adicionais geradas durante os ajustes feitos pelo usuário. O valor de umidade linearizado é obtido adicionando-se ao valor de umidade bruta os valores corretivos correspondentes de ambas as tabelas. Uma interpolação é usada para valores brutos intermediários. Os usuários podem redefinir o AirChip3000 para suas configurações originais de fábrica a qualquer momento.

Em geral, os valores recomendados pelo fabricante do instrumento para ajuste são determinados com o objetivo de minimizar o erro de linearidade. O ajuste nesses valores deve reduzir o erro de linearidade.

Recomendação Rotronic para pontos de ajuste:

Um ajuste de três pontos para medições de umidade e temperatura garante o desempenho preciso do sensor em diferentes condições ambientais.

1. Primeiro ponto de ajuste a 23 °C e 35 %rh: Esse ponto de ajuste padrão é usado para melhorar a precisão da linha de base do sensor em condições ambientais típicas. O ajuste nesse ponto ajuda a garantir medições confiáveis em ambientes moderados.
2. Segundo ponto de ajuste a 23 °C e acima, por exemplo, 50 %rh -80 %rh: O ponto de ajuste em um nível de umidade mais alto, como 80% de umidade relativa, melhora a capacidade do sensor de medir com precisão em condições de maior umidade. Essa etapa é crucial para validar o desempenho em locais onde os níveis de umidade são elevados, garantindo que o sensor permaneça preciso em toda a sua faixa operacional.
3. Terceiro ponto de ajuste a 23 °C e abaixo, por exemplo, 10 %rh -20 %rh: Esse ponto de ajuste de baixa umidade melhora o desempenho do sensor em condições mais secas. O ajuste abaixo de 20% de umidade relativa é essencial para confirmar que o sensor pode detectar e informar dados precisos mesmo em ambientes com umidade mínima.

Ao usar esses três pontos diferentes, o ajuste garante que a precisão geral do sensor seja otimizada e mantenha os níveis de tolerância em um amplo espectro de umidade.

Erro de ajuste

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 e calibrá-lo para que corresponda à saída da referência.

Os instrumentos de referência usados para fornecer valores conhecidos de umidade e temperatura para calibração têm sua própria incerteza composta de valores de precisão, repetibilidade, reprodutibilidade e histerese, que devem ser levados em consideração ao especificar a incerteza final do instrumento. Além disso, se nenhum ajuste for feito durante um serviço de calibração, o erro de medição deverá ser considerado e incluído no cálculo do resultado do instrumento ou adicionado à precisão como um erro não corrigido.

Ajuste com os padrões de umidade Rotronic

A temperatura afeta a umidade de equilíbrio dos padrões de umidade Rotronic. A diferença entre o valor de calibração a 23 °C do certificado e o valor de umidade da temperatura real da tabela deve ser adicionada manualmente à entrada do valor de referência de ajuste.

Histerese

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 reprodutibilidade de um instrumento de umidade.

Para qualquer instrumento específico, o valor da histerese depende de vários fatores:

• O intervalo total do ciclo de umidade usado para medir a histerese
• Tempo de exposição do sensor a cada condição de umidade
• Estabilidade da temperatura durante a medição
• Critérios usados para determinar o equilíbrio do sensor e o histórico anterior do sensor

Normalmente, a histerese do sensor aumenta à medida que o sensor é exposto a alta umidade e alta temperatura por longos períodos de tempo.

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 igualmente distribuída como um erro positivo e negativo. Entretanto, a reprodutibilidade do instrumento não deve ser especificada com menos do que o valor total da histerese

3. Compreensão da precisão da umidade

Precisão, quando se refere a instrumentos de medição, normalmente significa a proximidade da concordância entre um valor de quantidade medida e um valor de quantidade verdadeira. Entretanto, na prática, é essencial lembrar que não existe um valor “verdadeiro” - toda medição vem com algum grau de incerteza e erro de medição. A especificação de precisão em uma folha de dados do Rotronic simplesmente descreve a diferença permitida entre as leituras do seu instrumento e um dispositivo de referência (erro de medição).

Em muitos casos, a especificação de precisão por si só é insuficiente para avaliar a confiabilidade de longo prazo de um sensor de umidade, especialmente se você estiver trabalhando em ambientes com condições variáveis. Veja por quê:

• A especificação de precisão do Rotronic não inclui fatores como histerese, repetibilidade, linearidade, estabilidade de longo prazo e incerteza de medição.

4. Variações de precisão em faixas de temperatura

A maioria das especificações de precisão só é válida em uma determinada temperatura ou em uma faixa estreita de temperatura, como ±0,8 % rh a 23 °C ou em uma faixa de 20 °C ± 5 °C. Se você usar o instrumento fora desses parâmetros, a precisão provavelmente será prejudicada. Isso ocorre porque as sondas de umidade relativa são sensíveis à temperatura e seu desempenho é afetado por mudanças na temperatura ambiente.

O que observar:

• Sensibilidade à temperatura: Muitas sondas de umidade relativa terão sua precisão reduzida à medida que a temperatura se desvia da temperatura de calibração. Isso é especialmente importante em setores como câmaras ambientais ou sistemas de controle de processos, em que as temperaturas variam significativamente.

5. Incerteza da medição da calibração: Um fator crítico

Toda medição, por mais precisa que seja, tem alguma incerteza. Até mesmo as medições de institutos nacionais de metrologia, como o NIST (National Institute of Standards and Technology), vêm com um valor de incerteza. Incerteza de calibração refere-se à precisão do procedimento de calibração e é uma informação fundamental para entender a precisão total de um instrumento de umidade.

6. Desvio de longo prazo (estabilidade): O desafio oculto

Todos os instrumentos de medição de umidade relativa sofrem algum desvio a longo prazo - uma mudança nas leituras ao longo do tempo devido a fatores como envelhecimento dos componentes eletrônicos, desgaste mecânico e acúmulo de contaminação. Os sensores capacitivos de umidade relativa são vulneráveis a desvios porque são expostos ao ambiente que estão medindo. O envelhecimento do polímero no sensor de umidade é um comportamento normal e, normalmente, mostra um valor mais alto quanto maior for a condição de umidade.

Quando um desvio de mais de 3% rh é excedido, a Rotronic recomenda a substituição do sensor, porque o sensor passa a se desviar cada vez mais rápido.

• Envelhecimento de componentes eletrônicos
• Degradação mecânica ode materiais
• Contaminants like dust, particles, or chemical vapors

Long-term drift can be predictable or unpredictable, depending on the sensor's design and the environment. While temperature sensors can often be sealed to avoid exposure to contaminants, relative humidity sensors are typically "air-breathers," making them more susceptible to environmental influences.

7. Manuseio de contaminantes: Partículas e vapores

Os sensores RH são particularmente sensíveis a contaminantes no ambiente. Esses contaminantes podem afetar as leituras temporária ou permanentemente, dependendo de seu tipo e concentração. Os dois tipos mais comuns de contaminantes são:

• Contaminantes particulados, como poeira ou sais, podem se acumular no sensor e afetar suas leituras. Na maioria dos casos, o material particulado diminui o tempo de resposta ou gera desvios de medição em uma umidade específica (dependendo do tipo de sal), devido a um microclima no sensor.
• Contaminantes de vapor, como os compostos orgânicos voláteis (VOCs), podem causar desvios nas leituras do sensor, principalmente em sistemas fechados, como câmaras ambientais. Essa contaminação normalmente causa uma leitura mais baixa, pois os VOCs impedem que as moléculas de água entrem no sensor.

A seleção dos filtros de proteção corretos e a limpeza regular podem ajudar a reduzir o impacto dos contaminantes particulados, mas os contaminantes de vapor são muito mais difíceis de filtrar.

Em ambientes adversos, a redução dos ciclos de calibração e ajuste pode ajudar a manter a precisão, pois é esperado um desvio anual maior.

Conclusão: Veja além da especificação de precisão

A escolha do instrumento de medição de umidade relativa correto exige mais do que apenas observar a especificação de precisão em uma folha de dados. Fatores como faixa de temperatura, incerteza de calibração, desvio de longo prazo e contaminantes ambientais desempenham papéis cruciais na determinação do verdadeiro desempenho de longo prazo do seu dispositivo. Para evitar condições fora da tolerância, aprofunde-se nos dados do produto, converse com os fabricantes, alinhe as especificações com o seu caso de uso específico e garanta o uso das melhores práticas na instalação, manutenção e calibração do instrumento.

Entre em contato conosco

Entre em contato com a PST para obter mais informações sobre nossos produtos e como podemos ajudá-lo em suas necessidades de medição de umidade.

Conteúdo relacionado