Den richtigen Feuchtigkeitssensor auswählen

Feuchtigkeit ist ein wichtiger Parameter bei verschiedenen Herstellungsprozessen, bei der Lagerung sowie bei der Steuerung von Heizungs- und Klimaanlagen. Wenn wir über Feuchtigkeitssensoren sprechen, ist es wichtig, zwischen der Feuchtigkeit, die die Menge an Wasserdampf in der Luft oder in einem Gas angibt (humidity auf englisch), und der Feuchtigkeit, die die Menge an Wasser in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff wie Holz oder Beton angibt (moisture auf englisch), zu unterscheiden. Die Technologien und Geräte, die zur Messung dieser beiden Arten von Feuchtigkeit verwendet werden, sind unterschiedlich. Dieser Einkaufsführer befasst sich ausschließlich mit Feuchtigkeitssensoren für Gase.

Ein Feuchtigkeitssensor ist ein Gerät, das reagiert, wenn sein empfindliches Element mit der Luftfeuchtigkeit in Berührung kommt, und ein elektrisches Signal abgibt, das von einem Messgerät (Hygrometer), einem Display oder einem Automatisierungssystem verarbeitet werden kann.

Feuchtigkeitssensoren sind nicht mit Hygrometern zu verwechseln. Ein Hygrometer ist ein Messinstrument, das den Luftfeuchtigkeitswert anzeigt (auf einem Display oder einer anderen Art von Skala), während ein Feuchtigkeitssensor lediglich ein elektrisches Signal abgibt, das von einem anderen Gerät verarbeitet werden muss.

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Absolute oder relative Feuchtigkeit?
Es gibt zwei sehr unterschiedliche physikalische Größen, die zur Messung der Luftfeuchtigkeit oder der Feuchtigkeit eines Gases verwendet werden können: die absolute Feuchtigkeit und die relative Feuchtigkeit.

Absolute Feuchtigkeit

Die absolute Feuchtigkeit ist definiert als die Masse des in einem bestimmten Volumen trockener Luft oder eines Gases enthaltenen Wasserdampfs. Die absolute Feuchtigkeit wird in der Regel in Gramm pro Volumeneinheit ausgedrückt und hängt nicht von der Temperatur der Luft oder des Gases ab.

Relative Feuchtigkeit

Die relative Feuchtigkeit wird als Prozentsatz ausgedrückt und bezieht sich auf das Verhältnis zwischen der Masse des in der Luft vorhandenen Wasserdampfs (absolute Feuchtigkeit) und der maximalen Masse an Wasserdampf, die die Luft enthalten kann (oberhalb derer eine Kondensation des Wasserdampfs stattfindet). Diese maximale Masse des Wasserdampfes (vor der Kondensation) variiert je nach Temperatur. Je wärmer die Luft oder das Gas ist, desto mehr Wasserdampf kann sie enthalten.
Das bedeutet, dass die relative Feuchtigkeit der Luft oder eines Gases, das dieselbe Masse an Wasserdampf enthält, je nach Temperatur variiert. Die Temperatur, bei der eine relative Feuchtigkeit von 100% erreicht wird, wird als Taupunkt bezeichnet. Unterhalb dieser Temperatur kommt es zur Kondensation.
Welche Arten von Feuchtigkeitssensoren gibt es?
Es gibt drei Haupttypen von Sensoren:

Kapazitive Feuchtigkeitssensoren

Diese bestehen aus einer Schicht aus feuchtigkeitsempfindlichem dielektrischem Material zwischen zwei Elektroden und bilden so einen Kondensator, dessen Kapazität linear mit der relativen Feuchtigkeit variiert.

Sie messen die relative Feuchtigkeit von 0% bis 100%.

Sie liefern auch hochpräzise atmosphärische Messungen. Diese Art von Sensoren wird in der Industrie und in der Meteorologie eingesetzt.

Resistive Feuchtigkeitssensoren

Diese messen die Veränderung der elektrischen Impedanz eines hygroskopischen Elements (das ein leitendes Polymer oder ein Salz sein kann) durch Ionen. Der Widerstand dieses empfindlichen Elements variiert mit der Feuchtigkeit.

Diese Sensoren bieten eine geringe Präzision bei der Messung der relativen Feuchtigkeit von weniger als 5%. Sie sind jedoch erschwinglicher. Sie sind daher eine gute Option, wenn keine hochpräzisen Messungen erforderlich sind.

Taupunktsensoren

Diese messen die Taupunkttemperatur, d.h. die Temperatur, bei der der Wasserdampf in der Luft zu kondensieren beginnt, und liefern so einen Hinweis auf die Luftfeuchtigkeit.

Sie sind komplexer als die oben genannten Sensortypen und werden hauptsächlich in Labors eingesetzt.
Wann sollte man einen kapazitiven Feuchtigkeitssensor wählen?
Kapazitiver Feuchtigkeitssensor von Rotronic

Kapazitive Feuchtigkeitssensoren haben als empfindliches Element ein hygroskopisches dielektrisches Material, das sich zwischen einem Elektrodenpaar befindet und somit als Kondensator in Kontakt mit der Atmosphäre (Luft oder Gas), deren Feuchtigkeit Sie messen möchten, fungiert. Durch die Absorption von Feuchtigkeit aus der Atmosphäre bewirkt das dielektrische Material, dass sich der Kapazitätswert des Kondensators je nach der relativen Feuchtigkeit ändert.

Vorteile:
- Sie sind zuverlässig, präzise und stabil.
- Sie haben eine schnelle Reaktionszeit.
- Sie bieten einen großen Messbereich für die relative Luftfeuchtigkeit (von 0% bis 100%).
- Sie können in einem weiten Temperaturbereich arbeiten (von -70°C bis +200°C).
- Sie sind kompakt und leicht zu integrieren.
- Sie haben eine gewisse Resistenz gegen Kondensation, Staub und Chemikalien.
Nachteile:
- Sie sind weniger genau, wenn sie eine sehr niedrige Luftfeuchtigkeit (unter 10%) messen.
- Sie sind teurer als resistive Sensoren.
Wann sollte man einen resistiven Feuchtesensor wählen?
Resistiver Feuchtigkeitssensor von Rotronic

Resistive Feuchtigkeitssensoren messen Änderungen der elektrischen Impedanz eines hygroskopischen Materials, wie z.B. eines leitfähigen Polymers oder Salzes. Resistive Sensoren bestehen im Allgemeinen aus Edelmetall-Elektroden, die auf einem Substrat aufgebracht sind, oder aus Elektroden, die um einen Kunststoff- oder Glaszylinder gewickelt sind. Das Substrat ist mit einem Salz oder einem leitfähigen Polymer beschichtet, dessen elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit in der Umgebung des empfindlichen Elements ändert. Diese Sensoren sind preisgünstiger und bieten den Vorteil, dass sie vor Ort ausgetauscht und sofort verwendet werden können, ohne dass sie vorher kalibriert werden müssen.

Vorteile:
- Sie sind etwas sparsamer als kapazitive Geräte.
- Sie können vor Ort ausgetauscht werden, ohne dass eine Kalibrierung erforderlich ist.
- Sie sind für einen mittleren relativen Feuchtigkeitsbereich (von 20 bis 90%) geeignet.
Nachteile:
- Sie sind nicht für extreme Einsatzbedingungen geeignet.
- Sie sind empfindlich gegenüber Kondensation und Chemikalien.
Wann sollte man einen Taupunktsensor wählen?
Taupunktsensor von Ahlborn

Taupunktsensoren arbeiten nach einem optischen Messprinzip, um die Taupunkttemperatur der Atmosphäre zu bestimmen. Sie basieren auf einem Spiegel, der einen Lichtstrahl in Richtung eines Sensors reflektiert. Die Oberfläche des Spiegels wird durch ein thermoelektrisches Element (Peltier) gekühlt. Wenn der Taupunkt erreicht ist, bildet sich Kondensation auf dem Spiegel, der dann weniger Licht in Richtung des optoelektronischen Sensors reflektiert. Ein Temperatursensor misst dann die Temperatur des Spiegels (Taupunkttemperatur), die zur Berechnung der Luftfeuchtigkeit verwendet wird.

Vorteile:
- Sie haben eine ausgezeichnete Langzeitstabilität.
- Sie reagieren schnell auf Veränderungen der Luftfeuchtigkeit.
- Sie sind resistent gegen Kondenswasser.
Nachteile:
- Sie brauchen eine saubere Umgebung, um richtig zu funktionieren.
- Sie zeigen kein lineares Verhalten bei sehr niedriger relativer Luftfeuchtigkeit.
- Sie sind teuer im Vergleich zu anderen Technologien.
Was sind die Kriterien für die Auswahl eines Feuchtigkeitssensors?
Sobald Sie sich entschieden haben, welche Art von Feuchtigkeitssensor für Ihren Verwendungszweck am besten geeignet ist, müssen Sie anhand der üblichen Auswahlkriterien für Sensoren ein bestimmtes Modell auswählen:
- Messbereich
- Präzision
- Auflösung
- Ausgangssignal und Typ des elektrischen Anschlusses
- Art der Montage und Prozessverbindung
- Betriebstemperatur und Schutzart je nach Umgebungsbedingungen