Feuchtesensoren

Überblick über die Feuchtesensoren
 

Feuchtesensoren (auch als „Hygrometer“ bezeichnet) werden in vielen verschiedenen Ausführungen unter Anwendung verschiedener Technologien hergestellt; sie besitzen jedoch alle die Fähigkeit, den Feuchteanteil in einer Atmosphäre zu messen. 

 

Im Wesentlichen messen Feuchtesensoren die Änderungen, die durch die Luftfeuchtigkeit in einem Material hervorgerufen werden, das sensibel auf den Wassergehalt reagiert. Da die Feuchte in Beziehung zur Temperatur steht (je höher die Lufttemperatur, desto mehr Feuchtigkeit kann sie in Form einer Suspension aus kleinen Tropfen aufnehmen), ermitteln die meisten Feuchtesensoren die „relative Luftfeuchtigkeit“ - den Anteil an tatsächlichem Wasserdampf in einer Atmosphäre im Vergleich zur möglichen Sättigung dieser Atmosphäre mit Wasserdampf bei einer bestimmten Temperatur, die als Prozentsatz angegeben wird.

 

Die meisten modernen Geräte messen die Veränderungen der elektrischen Kapazität, des elektrischen Widerstands oder der Masse eines Materials, während es Wasser aus der Luft aufnimmt.  Einige elektrische Geräte messen die exakte Temperatur, bei der die Kondensierung einsetzt (der Taupunkt).

 

Es gibt zwei große Kategorien an Feuchtesensoren: solche, die die relative Luftfeuchtigkeit messen (RH-Sensoren) und solche, die die absolute Feuchtigkeit messen (AH- oder Feuchtigkeitssensoren). Absolute Feuchtigkeit bezieht sich auf die Gesamtmasse an Wasser in einer Volumeneinheit eines Luft- und Wasserdampfgemischs. Atmosphärische Luft bei 30°C erreicht eine Gesamtsättigung von 30g Wasserdampf pro Kubikmeter Luft.

 

Geschichte
 

Vermutlich wurde der erste Feuchtesensor in der Menschheitsgeschichte im Jahr 1450 erschaffen, als ein deutscher Philosoph und Astronom ein Haarhygrometer in einer Bauweise konstrierte, die anschließend im Jahr 1480 von Leonardo da Vinci gezeichnet wurde. Der von Wissenschaft und Technik besessene Ferdinand de Medici II., der Großherzog der Toskana, baute das erste Kondensationshygrometer im Jahr 1657, und 1853 erfand der französische Physiker Auguste Bravais einen Feuchtesensor, den er „wirbelnden Psychrometer“ nannte - dieser bestand aus einem Feuchtkugel- und einem Trockenkugelthermometer, die an einem Arm montiert waren. Letzteres konnte an einer Achse, die als Griff diente, durch die Luft gedreht werden und während der Bewegung die Feuchtigkeit messen. Der Feuchteanteil wurde mithilfe einer Formel berechnet, die auf den verschiedenen Messergebnissen der zwei Thermometer beruhte.

 

Das finnische Unternehmen Vaisala entwickelte 1973 den „Humicap“ Feuchtesensor und meldete diesen zum Patent an - ein dünner Film aus einem Wasserdampf-sensiblen Polymer, der seine elektrische Kapazität entsprechend den Schwankungen der Luftfeuchtigkeit ändert. Seitdem haben die technischen Fortschritte ein weites Spektrum an verschiedenen Formen von Feuchtesensoren hervorgebracht; unter anderem:
 

• Sensoren mit gesättigtem Lithiumchlorid (in denen das Salz als das feuchtigkeitsmessende Medium agiert).
• Elektrolytische Phosphorpentoxid-Sensoren (das Trockenmittel Phosphorpentoxid wandelt einen elektrolytischen Prozess bei einer angelegten Spannung in eine Anzeige des Wasserdampfgehalts um).
• Farbändernde Sensoren (in denen ein Material wie zum Beispiel Kobaltchlorid die Farbe entsprechend dem atmosphärischen Wassergehalt ändert).
• Spektroskopische Sensoren (die auf der Infrarotabsorption von Wassertröpfchen in der Luft basieren).
• Adiabatische Ausdehnungssensoren (die den Taupunkt feststellen, wenn die Luft während der Ausdehnung abkühlt und einen Nebel bildet).
• Akustische Sensoren (die Veränderungen in der Übertragung von Schall in der Luft als Widerspiegelung der Änderungen der Feuchtigkeit feststellen).

 

Technische Aspekte

 

Elektronische Feuchtesensoren werden normalerweise entsprechend einer Neun-Punkte-Skala kalibriert (oder „gekennzeichnet“), während die Lufttemperatur bei konstant 25 °C gehalten wird. Die Luft wird insgesamt neun steigenden und fallenden Feuchtigkeitswerten ausgesetzt (0 %, 25 %, 53,2 %, 75,3 %, 93,8 %, 75,3 %, 53,2 %, 25 % und 0 %), und es wird an jedem Punkt der Ausgangsgleichstrom des Geräts gemessen. Anschließend wird eine Ausgleichsgerade (Best Fit Straight Line, BFSL) gezeichnet und eine nichtlineare Kurve der 2. Ordnung.

 

Jeder einzelne Sensor hat seine eigenen speziellen Kalibrierungskurven. Die Messgenauigkeit eines Sensors wird anhand der BFSL und der nichtlinearen Kurve zweiter Ordnung berechnet und wird normalerweise als Prozentsatz angegeben (z. B. plus oder minus 2 Prozent).

 

Alle Sensoren werden auf Belastbarkeit geprüft, um ihre Zuverlässigkeit zu messen. Wenn ein Sensor so stark abweicht, dass er Messwerte außerhalb seines vorgegebenen relativen Luftfeuchtebereichs im Rahmen dieser beschleunigten Belastungstests liefert, gilt er als „durchgefallen“. Durch die Tests werden Zahlen für jeden einzelnen Feuchtesensor generiert, die als FIT-Wert (die Anzahl der Ausfälle pro Million Betriebsstunden) und das MTTF-Intervall („Mean Time to Failure“ bzw. mittlere Betriebszeit bis zum ersten Ausfall) bekannt sind.

 

Sämtliche Feuchtesensoren werden Prüfungen mit langsam bewegter Luft unterzogen (Luft, die mit 5 Metern pro Sekunde strömt), um ihre Reaktionszeiten zu bestimmen. Normalerweise bezieht sich die Reaktionszeit auf die Zeit, die der Sensor benötigt, um entweder auf 37 Prozent seines Endwerts zu fallen oder auf 63 Prozent zu steigen, wenn er einem plötzlichen Fall oder Steigerung der Luftfeuchte ausgesetzt wird.

 

Da bei einer bestimmten relativen Luftfeuchte der Spannungsausgang eines Feuchtesensors durch die Temperatur beeinflusst wird, sind viele so konstruiert, dass sie die Wärme bei der Berechnung des Feuchteanteils berücksichtigen  - ein Prozess, der als „Temperaturkompensation“ bekannt ist.

 

Einsatzgebiete des Feuchtesensors in der Produktion
 

Viele industrielle Prozesse können durch die Feuchtigkeit beeinflusst werden, wie auch der Komfort und das Wohlbefinden der Menschen. Feuchtesensoren werden häufig für medizinische Anwendungen verwendet, deren Funktion durch übermäßige oder unzureichende Feuchtigkeit verfälscht werden kann. Diese umfassen Inkubatoren, Beatmungsgeräte und Sterilisatoren. Die Sensoren werden auch verwendet, um den Feuchteanteil bei der Herstellung verschiedener Arzneimittel zu überwachen und die Feuchtigkeit bei der Reinigung chemischer Gase zu steuern.

 

Die Sensoren kommen auch zur Steuerung der Feuchtigkeit bei der Produktion von Papier und Textilien, in der Lebensmittelverarbeitung und bei Filmtrocknungsverfahren zum Einsatz. Sie finden zudem zahlreiche Anwendungsbereiche in der Landwirtschaft: von der Tauvermeidung bei empfindlichen Getreidearten bis hin zur Überwachung des Feuchteanteils des Bodens. Die Kontrolle der Luftfeuchte ist bei der Herstellung von Halbleitern von wesentlicher Bedeutung, und Feuchtesensoren spielen bei der Wafer-Bearbeitung eine entscheidende Rolle.

 

Im Haushalt werden die Sensoren häufig eingesetzt, um die Luftfeuchtigkeit in Gebäuden zu steuern, und sie spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung von Mikrowellenöfen.

 

Wie sich Feuchtesensoren von anderen Sensoren unterscheiden
 

Feuchtesensoren sind speziell dafür konzipiert, den Wasserdampfgehalt in der umgebenden Atmosphäre zu messen, im Gegensatz zu Sensoren für Beleuchtungsstärke, Bewegung, Temperatur oder Belastung.