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Aktive Bauelemente
Coverstory
Bild 3: Optionale Abdeckung zum Schutz des Luftfeuchtigkeitssensors
Si7005 über die gesamte Lebensdauer.
sich in einem Gesamtvolumen feuchter Luft bei einer bestimmten
Temperatur und einem bestimmten Druck befindet.
Der Sättigungsgrad wird je nach Temperatur als Taupunkt oder
Frostpunkt bezeichnet. Der Wert der relativen Luftfeuchtigkeit
kann sich selbst bei geringen Temperaturänderungen erheblich
unterscheiden: Bei einer Temperaturänderung um 1 °C (bei 35 °C
und 75 % relative Luftfeuchte) ändert sich der Wert der relativen
Luftfeuchtigkeit um 4 %. Eine höhere Temperatur erhöht die Fähigkeit
der Luft, mehr Feuchtigkeit aufzunehmen; eine niedrigere
Temperatur verringert diese Möglichkeit.
Die Fähigkeit der Luft, mehr Feuchtigkeit aufzunehmen, steigt
mit höheren Temperaturen. Somit nimmt auch die relative Luftfeuchte
zu, sobald die Luft wärmer wird. Wird feuchte Luft gekühlt,
sinkt deren Möglichkeit, Feuchte aufzunehmen, während sich die
relative Luftfeuchte erhöht. Die Menge an Wasserdampf in der
Luft, die erforderlich ist, damit der Taupunkt erreicht wird, nimmt
mit steigender Temperatur zu. Ein Taupunkt bei 10 °C entspricht
zum Beispiel einer relativen Luftfeuchte von 31 % bei 32 °C.
Prinzipiell erfolgt die Messung der relativen Luftfeuchte direkt.
In der Praxis ist sie jedoch nicht so einfach. Einige Messgeräte
bieten eine schlechte Genauigkeit und weichen über der Zeit ab
(driften). Andere verschmutzen im Laufe der Zeit oder unterliegen
einer Hysterese. Für viele herkömmliche Geräte ist daher eine
regelmäßige Kalibrierung erforderlich, die umständlich und
teuer sein kann.
Das bekannteste Instrument zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit
ist das Psychrometer. Es ist eher durch seine „Trocken-/Feuchtkugel“-Methode
bekannt. Ein Psychrometer besteht
aus zwei Thermometern: eines mit einer herkömmlichen Trockenkugel
und eines mit einem feuchten Tuch, das die Kugel umhüllt,
genannt Feuchtkugel. Die Verdunstung aus dem feuchten
Tuch senkt die Temperatur des Feuchtkugel-Thermometers.
Das Feuchtkugel-Thermometer zeigt eine niedrigere Temperatur
als das Trockenkugel-Thermometer, wenn die Luft nicht mit
Wasserdampf gesättigt ist. Aus einer Tabelle lässt sich dann die
relative Luftfeuchtigkeit über die beiden Temperaturmessungen
herleiten. Mit einem Mikrocontroller lässt sich dies automatisieren
– der Nachteil eines psychrometrischen Sensors ist jedoch die
langsame Ansprechzeit und die physikalische Größe. Auch die
Wartung ist problematisch, da eine Thermometer-Kugel stets
feucht gehalten werden muss und eine ausreichende Luftzirkulation
erforderlich ist.
Die genaueste Methode zur Feuchtigkeitsmessung erfolgt heute
über ein Hygrometer mit gekühltem Spiegel. Dabei kommt ein
optoelektronischer Mechanismus zum Einsatz, der Kondensation
auf der Spiegeloberfläche feststellt. Der Spiegel wird auf einer
genau gemessenen Temperatur gehalten und gekühlt, damit
sich Kondensation bilden kann. Die Kondensation
streut das Licht einer LED, was zu einem plötzlichen
Abfall des Ausgangssignals der Empfänger-
Fotodiode führt. Die Temperatur, bei der die
Kondensation beginnt, stellt den Taupunkt
dar, aus dem sich der Feuchtigkeitswert ableitet.
Mit einer Mikrocontroller-basierten Rückkopplungsschleife
lässt sich der Taupunkt kontinuierlich
verfolgen. Allerdings muss der Spiegel stets sauber gehalten
werden, und auch eine Möglichkeit, die Kondensation
nach der Messung zu beseitigen, muss bestehen. Durch
ihre mechanischen Systeme sind Hygrometer mit gekühltem
Spiegel sehr sperrig, teuer und unpraktisch für Großserien in
Consumer-, Automotive- und häuslichen Anwendungen.
Mechanische Hygrometer sind wesentlich kleiner, aber weniger
genau – meist im Bereich ±10 %. Gängige Geräte enthalten
ein Haar, das unter Spannung gehalten wird. Steigt der Feuchtigkeitsgehalt
der Luft wird das Haar flexibler und dehnt sich aus.
Diese Änderung lässt sich mit einem Dehnungsmesser erfassen.
Mit steigender Feuchtigkeit dehnt sich das Haar zunehmend.
Elektronische Luftfeuchtigkeitsmessung
Elektronische Geräte zur Messung der Luftfeuchtigkeit erübrigen
die genannten Größen- und Kostenprobleme älterer Techniken.
Aber auch hier weisen herkömmliche Designs bestimmte Einschränkungen
auf. Um Luftfeuchtigkeit zu messen, kommen meist
Techniken zum Einsatz, die auf der Änderung des Widerstandes
oder der Kapazität eines hygroskopischen Materials beruhen. Diese
Art von Sensor findet sich heute in den meisten Anwendungen,
da der technologische Fortschritt hier eine genaue, kompakte, stabile
und stromsparende Lösung ermöglicht hat.
Ein kapazitiver Sensor besteht aus zwei Elektroden, die durch
ein Dielektrikum getrennt sind. Sobald der Wasserdampf-Anteil
in der Luft steigt, folgt auch die dielektrische Konstante des Sensors.
Die Kapazität ändert sich proportional zum Feuchtigkeitsgrad.
Ein Widerstandssensor besteht aus zwei Elektroden, die
durch eine leitfähige Schicht voneinander getrennt sind. Die
Leitfähigkeit der Messschicht ändert sich dabei in Bezug auf eine
veränderte Luftfeuchtigkeit.
Neue Techniken zur Fertigung dünner Folien machen diese
Sensoren genau, stabil und einfach in großen Mengen herstellbar.
Die Materialwahl ermöglicht schnelle Reaktionszeiten mit geringer
Hysterese. Ein Polyimid-Film, der in Dicken von weniger als
5 µm gefertigt wird, reagiert in weniger als 10 s auf Änderungen
der Luftfeuchtigkeit und bietet eine hohe Stabilität.
Die Genauigkeit eines elektronischen Sensors ist durch seine
Drift über der Zeit begrenzt. Diese entsteht durch große Temperatur-
und Feuchtigkeitsabweichungen oder durch Verschmut-
Bild 4: Der Sensor Si7005 ist eine Single-Chip-Lösung zur Messung der
relativen Luftfeuchtigkeit.
20 elektronik industrie 05/2013
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