湿度理论6 – 电容式传感器

电容式湿度传感器由放置在一对电极之间的吸湿性介电材料组成，形成一个小电容器。大多数电容传感器使用塑料或聚合物作为介电材料，其典型介电常数在2到15之间。当传感器中不存在水分时，该常数和传感器几何结构决定电容值。在正常室温下，水蒸气的介电常数约为80，远大于传感器介电材料的常数。因此，传感器吸收水蒸气会导致传感器电容增加。在平衡条件下，吸湿材料中的水分含量取决于环境温度和环境水蒸气压力。用于传感器上的吸湿性介电材料就是这样的。

根据定义，相对湿度也是环境温度和水蒸汽压的函数。因此，相对湿度、传感器中的水分含量和传感器电容之间存在关系。这种关系是电容式湿度仪工作的基础。

在电容式仪器中，就像在几乎所有其他类型的仪器中一样，湿度是通过链式过程测量的，而不是直接测量的。仪表性能由链条的所有元件决定，而不仅仅是传感器。由于传感器和相关电子设备不能单独考虑，任何可能干扰测量链过程的因素都必然会对仪器性能产生影响。

电子湿度传感器

电容式湿度传感器的优点和缺点:

利：

• •测量范围宽泛
• •温度范围广
• •的稳定性
• •响应快速
• •从冷凝中完全恢复
• •高度耐化学性
• •小巧
• •低成本
• •低维护

弊：

• •可能受限于传感器到电子元件的距离
• •相对准确度会有所下降
• •需要电子元件将电容转换为相对湿度

电容式湿度传感器的误差分类

系统误差在大小和符号上都是可预测和可重复的。由仪器非线性或温度效应引起的误差属于该类。系统误差是仪器特有的。

随机误差取决于仪器外部的因素，这意味着系统误差是可预测和可重复的，而随机误差则不是。例如，由传感器滞后引起的误差（我们将在下面定义）以及由校准程序引起的误差都是随机误差。通常，随机误差是根据统计数据、经验和判断来估计的。

线性误差

相对湿度传感器（相对湿度介于0%和100%之间）的典型响应是非线性的。根据电子电路校正的有效性，仪器可能存在线性误差。假设传感器和相关电子元件均具有可再现特性，则线性误差为系统误差。

通常，仪器制造商推荐的校准值是以小化线性误差为目标确定的。在这些值下校准应产生均匀的线性误差正负分布。

温度误差

温度会对前面描述的测量过程中的几个要素产生重大影响。在电容式湿度仪表的特定情况下，以下影响可能会产生温度误差。传感器的吸湿性能随温度而变化。相对湿度仪器依赖于传感器吸湿材料中存在的水分量与相对湿度之间的关系是恒定的假设。 然而，在大多数吸湿材料中，这种关系随温度而变化。此外，水分子的介电性能受温度的影响。在20°C时，水的介电常数约为80。该常数在0°C时增加8%以上，在100°C时减少30%。传感器电介质特性也随温度变化。

大多数介电材料的介电常数随着温度的升高而降低。幸运的是，温度对大多数塑料介电性能的影响通常比对水的情况更为有限。

将传感器连接到电子电路的任何长度的电缆都有其自身的电容和电阻。电子电路无法区分传感器及其连接电缆。因此，由于传感器和电缆的电容会随温度变化，因此必须补偿电子元件给出的湿度值，否则可能导致较大的测量误差，有时可达8 %rh或更高。

滞后

滞后是对应数据组之间可测量的大差异，通过运行湿度条件的上升和下降序列获得。滞后决定湿度仪器的重复性。

对于任何给定仪器，滞后值取决于以下几点：

• • 用于测量滞后的湿度循环的总跨度
• • 传感器在各种湿度条件下的暴露时间
• •测量期间的温度
• • 用于确定传感器平衡的标准
• • 传感器先前的历史记录

通常，当传感器长时间暴露在高湿度和高温下时，传感器滞后会增加。

只有说明传感器的滞后值，同时提供测试如何执行的细节，才有意义。在实际测量中，条件极其不同，滞后可能会或可能不会达到其大值。因此，合理地考虑滞后是一个既不能完全预测也不能完全补偿的随机值。当规定仪器精度时，滞后大值的一半应作为正误差和负误差平均分布。但是，仪器重复性不应小于滞后的全部值。

校准误差

校准包括将测量仪器的输出与参考值进行比较，并报告结果。调整包括改变被校准仪器的输出，以匹配参考输出。在某些情况下，“校准”服务包括校准和调整。

用于提供已知湿度和温度值以进行校准的参考仪器具有其自身的精度、重复性和滞后值，在规定终仪器不确定度时必须考虑这些值。此外，校准服务期间进行的任何调整都不能完全复制参考仪器的值。在计算仪器不确定度时，必须将这些误差视为随机误差。

长期稳定性

其中一个关键因素是仪器在给定湿度条件下长时间返回相同相对湿度值的能力。该值通常称为可重复性，用于测量仪器在长时间内保持校准的能力，尽管传感器及其相关电子元件的特性在长时间发生变化。一般来说，可以将重复性问题分为两个方面：传感器在给定温度下保持对给定湿度条件的响应的能力和电子器件随时间的稳定性。

耐化学性

电容式聚合物湿度传感器对周围气体存在的化学物质非常敏感。影响的大小取决于多个参数：

• • 化学品类型
• • 浓度
• • 影响持续的时间
• • 湿度和温度的大小
• • 其他化学品的存在

因为很难预测传感器的偏差和寿命，所以好校准周期之间进行测试。

非关键化学品

下表说明了这些气体对罗卓尼克 IN-1系列传感器的影响:

• • 氩 (Ar)
• • 氧化碳 (CO₂)
• • 氦 (H_e)
• • 氢 (H₂)
• • 氖 (Ne)
• • 氮 (N₂)
• • 氧化亚氮 (笑气, N₂O)
• • 氧 (O₂)

以下气体对传感器和湿度测量没有或几乎没有影响：

• • 丁烷 (C₄H₁₀)
• • 乙烷 (C₂H₆)
• • 甲烷 (CH₄)
• • 天然气
• • 丙烷 (C₃H₈)

关键化学品

在以下浓度下，下表中列出的气体对传感器或湿度测量没有或几乎没有影响。显示的数据仅为指导值。传感器的耐受性很大程度上取决于温度和湿度条件以及污染物影响持续的时间。

由污染物引起的允许错误：+/- 2 %rh

应用实例

A) 灭菌室内湿度测量（环氧乙烷）

客户应用: 医疗设备传感器的消毒: C-94
环氧乙烷浓度: 15% 按体积
二氧化碳: 85% 按体积
压力: 0.2 - 2.5 bar 绝对
温度: 约 40 °C
湿度: 约 80 %rh
应用经验： 传感器的使用寿命约为3个月。灭菌室持续运行。

B) 臭氧室湿度测量

传感器: HYGROMER HT-1
臭氧浓度: 约 500 ppm
温度: app. 23 °C
湿度: app. 50 %rh
应用经验：传感器在500 ppm臭氧下的使用寿命约为1个月。

C) 特殊用途：油中湿度测量

原则上可以直接在油中测量湿度，但传感器的使用寿命在很大程度上取决于所用的油。只有使用特殊传感器才能在油中进行测量，并计划测试。

在以下视频中了解有关湿度的更多信息：“相对湿度测量解释”

参考之前的博客文章:
理论1 – 什么是湿度?
理论 2 – 相对湿度，压力和温度
理论3 – 湿度和蒸汽压
理论 4 – 湿度定义: 蒸汽浓度
理论 5 – 温度和压力对 % rh 的影响
请留意PST博客上的湿度理论第7部分。