Sensores de temperatura e umidade relativa do ar: o que você precisa saber

Embora os sensores de temperatura do ar e umidade relativa (UR) ofereçam a vantagem de um meio econômico de coletar dados de medição para dois parâmetros, existem alguns problemas relacionados a esses sensores que você deve conhecer. Neste artigo, apresentarei alguns conceitos básicos sobre sensores de temperatura/UR, discutirei as vantagens e desvantagens de migrar de sensores totalmente analógicos para digitais, destacarei questões relacionadas ao material do filtro e oferecerei algumas dicas para selecionar um sensor.

Algumas informações básicas sobre sensores de temperatura/umidade relativa do ar.

Embora os sensores de velocidade solar, de chuva e de vento sejam projetados desde o início para suportar bem aplicações ambientais, o mesmo não se aplica aos sensores de temperatura e umidade relativa do ar. Os componentes principais dos sensores de temperatura/umidade relativa simplesmente não são projetados especificamente para aplicações meteorológicas. Em vez disso, os fabricantes tradicionalmente projetam os componentes de umidade relativa para setores de mercado mais amplo, como o automotivo, o de HVAC e o de câmaras ambientais (farmacêuticas, salas limpas, etc.).

Normalmente, acabamos entrando em contato com TODOS os fabricantes de sensores de temperatura/umidade relativa do ar com os quais trabalhamos para ajudá-los a aprimorar seus produtos, de modo que funcionem bem em aplicações ambientais. Mesmo que esses fabricantes afirmem que seus sensores são projetados para aplicações ambientais, eles não foram especificamente desenvolvidos para ficarem expostos às intempéries por longos períodos. Geralmente encontramos uma ou mais falhas que os fabricantes não perceberam. Isso se aplica até mesmo a sensores de alta qualidade.

Em geral, constatamos que os sensores que oferecem excelente precisão e resolução nunca foram projetados para suportar longos períodos de exposição ao ar livre e, normalmente, exigem uma quantidade considerável de energia para funcionar. Nosso desafio tem sido encontrar sensores de temperatura do ar/umidade relativa que atendam a esses requisitos:

• Fornecer o desempenho em campo que exigimos.

• Possuem necessidades de baixa potência.

• Não têm preços exorbitantes.

• Possui uma saída de tensão analógica que atende à faixa de nossos registradores de dados.

• Não exigem envio para calibração (quando possível).

• Não apresenta problemas de rachaduras nos cabos, nem de corrosão e descamação da carcaça.

• Sobreviva aos elementos

A relação de compromisso entre o analógico e o digital

Todos os novos sensores de temperatura/umidade relativa do ar utilizam algum tipo de conversão A/D, o que complica as coisas quando se usa esses novos sensores com registradores de dados mais antigos que precisam de uma saída de tensão analógica. Isso ocorre porque o sensor precisa realizar uma conversão digital-analógica (D/A) adicional. Portanto, você precisa confiar no fabricante para realizar várias tarefas: uma conversão A/D inicial de alta qualidade, uma conversão D/A eficiente para que o registrador de dados possa lê-la e o desempenho de tudo isso na faixa de temperatura do próprio sensor.

É aqui que temos encontrado mais problemas com os sensores digitais de temperatura e umidade relativa do ar mais recentes. Nossa experiência tem mostrado que o fabricante afirma uma coisa, e observamos outra, ou o sensor não mantém sua calibração ao longo do tempo quando inserido no mundo analógico, que é muito real e imprevisível. Ao adicionar a conversão D/A para obter uma saída de tensão analógica, surge mais uma incerteza.

A vantagem dos sensores digitais é que geralmente são muito fáceis de calibrar. O "segredo" está no elemento de umidade relativa proprietário e no algoritmo de medição usado pelo fabricante. A maioria dos fabricantes, na verdade, realiza muitas medições rápidas em segundo plano e fornece uma média ao longo do tempo.

Problemas com o material do filtro

Qualquer sensor de temperatura/umidade relativa do ar instalado em campo precisa de algum tipo de material filtrante ao redor do chip de umidade relativa para protegê-lo de poeira, poluentes e água em excesso. Isso gera diversos problemas:

• O material filtrante usado pela maioria dos fabricantes permite a passagem de vapor de água com muita eficiência, mas o mesmo não se aplica à temperatura. Se você já fez medições rápidas usando um sensor de temperatura/umidade relativa do ar, deve ter notado que a umidade varia muito mais rapidamente do que a temperatura. Alguns sensores podem levar de 10 a 20 minutos para atingir o equilíbrio. Normalmente, isso não é culpa do sensor, mas sim do material filtrante. Em velocidades de vento muito baixas, esse atraso pode ser ainda maior.
  
  

• Se a condensação ou a água encharcarem o material do filtro, levará algum tempo para que ele seque. Você não saberá quanto tempo esse processo levará, pois ele depende muito da velocidade do vento e da umidade real do ambiente. Enquanto você espera que o material do filtro seque, as medições ficarão distorcidas.
  
  

• Os filtros são excelentes para reter poluentes e sais; no entanto, dependendo do material filtrante utilizado, um microclima pode ser criado ao longo do tempo, o que distorcerá as medições. Microclimas também podem ser criados por um filtro de múltiplas placas sujo ou por uma proteção aspirada utilizada em torno de um sensor de temperatura/umidade relativa do ar. É necessário substituir ou limpar os elementos filtrantes e as proteções com frequência. Os sensores precisarão ser inspecionados visualmente para determinar a frequência com que isso será necessário.
  
  

• A condensação no elemento de umidade relativa acelera sua degradação e deriva. Isso era um problema com sensores mais antigos. Alguns sensores mais recentes com os quais trabalhamos utilizam um revestimento patenteado no elemento de umidade relativa que o protege e aumenta sua vida útil sem comprometer o desempenho. Em ambientes com umidade consistentemente alta, como em áreas costeiras ou florestas tropicais, será necessário calibrar o sensor ou substituir o chip de umidade relativa com maior frequência, podendo ser a cada seis meses ou um ano.
  
  

• Mais fabricantes introduziram sensores de temperatura/umidade aquecidos para contornar problemas de condensação. A ideia é que uma sonda de temperatura separada meça a temperatura do ar, enquanto o elemento de umidade relativa, que possui seu próprio sensor de temperatura, seja mantido a uma temperatura específica acima do ponto de orvalho. O sensor recebe o valor de umidade medido em sua temperatura e o converte para a umidade correta correspondente à temperatura do ar. Esses sensores exigem um pouco mais de energia para operar. A Campbell Scientific não comercializa atualmente um modelo desse tipo, mas tivemos que integrá-los ao nosso catálogo.
  
  

• O material do sensor de umidade relativa é sensível à poluição. O tipo de poluição que degrada ou destrói um determinado elemento sensor de umidade relativa geralmente varia de acordo com o fabricante. Como regra geral, a exposição a produtos petroquímicos é prejudicial. Pouquíssimos sensores de temperatura/umidade relativa resistem bem em ambientes de refinaria. O mesmo se aplica à amônia (dejetos animais ou humanos) e ao sulfeto de hidrogênio ou dióxido de enxofre.

Você deve ter notado que a maioria dos problemas listados acima não se aplica a sensores usados ​​em ambientes de HVAC ou câmaras climáticas. No entanto, a implantação desses sensores por períodos prolongados em aplicações meteorológicas é uma história diferente. É por isso que nos esforçamos para sermos muito rigorosos nos testes que realizamos aqui e verificar por nós mesmos as alegações feitas pelos fabricantes.

Dicas para selecionar um sensor de temperatura/umidade relativa do ar

Atenção: acredito firmemente que "você recebe o que paga".

A seguir, apresentamos algumas considerações a serem feitas ao selecionar um sensor de temperatura/umidade relativa do ar.

Qual é o seu orçamento?

Sensores de baixo custo não terão a resolução ou a precisão de sensores de alta gama. Mas, geralmente, os sensores de baixo custo têm um ótimo desempenho em campo, não exigem calibração (o elemento de umidade relativa pode ser substituído em campo) e atendem ou superam a precisão e a resolução exigidas.

Quais são as especificações de resolução e desempenho?

A verdade é que medir a umidade relativa é difícil. A água em sua fase gasosa é uma molécula instável e seu comportamento em relação à temperatura é completamente não linear. O comportamento da água muda novamente quando a temperatura está abaixo do ponto de congelamento. Todos os sensores disponíveis no mercado enfrentam um grande desafio, com uma consequente alta incerteza, ao tentar medir um valor de umidade de 90% ou superior. Um desafio ainda maior é medir a umidade relativa em condições abaixo de zero.

De que precisão você realmente precisa?

Analise as especificações do sensor e verifique o tempo de resposta com o filtro. Tire suas dúvidas. Lembre-se de que, assim que o sensor for instalado dentro de um escudo de múltiplas placas com aspiração natural, as especificações de temperatura podem ficar distorcidas. Sob luz solar direta, em um dia quente e com pouco vento, a temperatura dentro do escudo pode ser de 0,5°C a 1,5°C superior à temperatura ambiente.

Como você pretende lidar com a deriva da direção à direita?

Todos os chips de RH capacitivos sofrerão deriva. Com o tempo, o elemento RH apresentará fissuras (produzindo uma rede de rachaduras na superfície) e o valor de RH aumentará, saindo das especificações.

Você pode interromper a coleta de dados de medição para enviar o sensor para calibração? Isso será necessário para sensores de alta precisão. Em alguns casos, você pode trocar a cabeça do sensor em campo por uma já calibrada.

Você prefere ir até o local e substituir o chip de umidade relativa? Isso é impossível com sensores de alta gama. Simplesmente não dá para obter o mesmo desempenho de um chip substituível em campo.

Qual registrador de dados você está usando?

Verifique sempre a compatibilidade do registrador de dados que pretende utilizar com o sensor.

Quais são as condições ambientais?

Por exemplo, o local onde o sensor está instalado apresenta umidade consistentemente alta? Há muita poeira no ar? E quanto à chuva congelante, formação de gelo ou neve horizontal?

É importante compreender o ambiente onde o sensor será instalado.

• Em locais com alta umidade, serão necessárias visitas mais frequentes para a troca do sensor ou do chip de umidade relativa, dependendo do tipo de sensor.

• A poeira expelida traz consigo uma série de problemas. O acúmulo de poeira em um sistema de ventilação forçada ou em um filtro de múltiplas placas pode distorcer a temperatura em dias ensolarados. Além disso, a poeira pode obstruir o material filtrante.

• As medições do sensor ficarão imprecisas depois que um escudo de múltiplas placas ou com ventilação forçada for coberto por gelo ou compactado com neve. Nesse ponto, o sensor estará medindo o ambiente interno do escudo e NÃO o externo.