Датчики температуры воздуха и относительной влажности: что нужно знать

Хотя датчики температуры воздуха и относительной влажности (RH) обеспечивают экономичное средство сбора данных измерений для двух параметров, существуют некоторые проблемы, связанные с этими датчиками, о которых вам следует знать. В этой статье я расскажу немного о датчиках температуры воздуха и относительной влажности, обсужу компромисс между переходом от полностью аналоговых датчиков к цифровым, выделю проблемы, связанные с материалом фильтра, и дам несколько советов по выбору датчика.

Немного информации о датчиках температуры/относительной влажности воздуха

В то время как датчики солнечной энергии, дождя и скорости ветра с самого начала разрабатывались так, чтобы хорошо работать в условиях окружающей среды, то же самое нельзя сказать о датчиках температуры воздуха и относительной влажности. Основные элементы датчиков температуры воздуха/относительной влажности просто не предназначены специально для метеорологических применений. Скорее, производители традиционно проектировали элементы RH для более крупных отраслей промышленности, таких как автомобилестроение, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, а также экологические камеры (фармацевтические препараты, чистые помещения и т. д.).

Как правило, мы обращаемся к КАЖДОМУ производителю датчиков температуры воздуха/относительной влажности, с которым мы работали, чтобы помочь им улучшить свой продукт, чтобы он хорошо работал в экологических приложениях. Несмотря на то, что эти производители могут заявлять, что их датчики предназначены для применения в окружающей среде, их датчики не были специально разработаны для того, чтобы оставлять их снаружи под воздействием непогоды в течение длительного времени. Обычно мы находим один или несколько недостатков, которые упустили производители. Это справедливо даже для датчиков высокого класса.

Как правило, мы обнаружили, что датчики, которые обеспечивают превосходную точность и разрешение, никогда не были рассчитаны на то, чтобы выдерживать длительное нахождение снаружи, и обычно для работы требуется значительное количество энергии. Нашей задачей было найти датчики температуры воздуха/относительной влажности, отвечающие этим требованиям.:

• Обеспечить необходимую нам производительность на местах

• Имеют потребности в малой мощности

• Не заоблачные цены

• Иметь аналоговый выход напряжения, соответствующий диапазону наших регистраторов данных.

• Не требуют отправки на калибровку (если это возможно)

• Отсутствие проблем с растрескиванием кабеля, коррозией и отслаиванием корпуса.

• Выжить в стихии

Аналоговый/цифровой компромисс

Все новые датчики температуры воздуха/относительной влажности используют тот или иной тип аналого-цифрового преобразования, что усложняет ситуацию, когда вы используете эти новые датчики со старыми регистраторами данных, которым требуется аналоговый выход напряжения. Это связано с тем, что датчик затем должен выполнить дополнительное цифро-аналоговое (Ц/А) преобразование. Таким образом, вы должны рассчитывать на то, что производитель сделает несколько вещей: отличную работу по первоначальному аналогово-цифровому преобразованию, отличную работу по цифро-аналоговому преобразованию, чтобы регистратор данных мог его прочитать, И производительность всего этого в течение всего периода эксплуатации. температурный диапазон самого датчика.

Именно здесь у нас возникло больше всего проблем с новыми полностью цифровыми датчиками температуры воздуха и относительной влажности. Наш опыт показывает, что производитель заявляет одно, а мы видим другое, или датчик не сохраняет свою калибровку с течением времени, когда его помещают в очень реальный и запутанный аналоговый мир. Добавление цифро-аналогового преобразования для получения аналогового выходного напряжения добавляет еще одну неопределенность.

Преимущество цифровых датчиков заключается в том, что их обычно очень легко калибровать. «Магия» заключается в запатентованном элементе RH и алгоритме измерения, используемых производителем. Большинство производителей на самом деле проводят множество очень быстрых измерений в фоновом режиме и выводят среднее значение с течением времени.

Проблемы с фильтрующими материалами

Любой датчик температуры воздуха/относительной влажности, развернутый в полевых условиях, должен использовать какой-либо фильтрующий материал вокруг чипа относительной влажности, чтобы защитить его от крупной пыли, загрязняющих веществ и воды. Это создает ряд проблем:

• Фильтрующий материал, используемый большинством производителей, очень хорошо пропускает водяной пар, но это не относится к температуре. Если вы когда-либо проводили очень быстрые измерения с помощью датчика температуры воздуха/относительной влажности, вы заметите, что влажность меняется гораздо быстрее, чем температура. Для стабилизации некоторых датчиков может потребоваться от 10 до 20 минут. Обычно это вина не датчика, а фильтрующего материала. При очень низкой скорости ветра задержка может быть еще больше.
  
  

• Если конденсат или вода пропитает фильтрующий материал, потребуется время, чтобы фильтрующий материал высох. Вы не будете знать, сколько времени займет этот процесс, поскольку процесс сильно зависит от скорости ветра и фактической влажности окружающей среды. А пока вы ждете высыхания фильтрующего материала, измерения искажаются.
  
  

• Фильтры отлично улавливают загрязняющие вещества и соли; однако, в зависимости от используемого фильтрующего материала, со временем может создаться микроклимат, который исказит результаты измерений. Микроклимат также может быть создан с помощью грязного многопластинчатого или аспирационного экрана, используемого вокруг датчика температуры воздуха/относительной влажности. Вы можете рассчитывать на частую замену или очистку фильтрующих элементов и экранов. Датчики необходимо будет проверять визуально, чтобы определить, как часто это нужно будет делать.
  
  

• Конденсат на элементе RH ускорит его разрушение и смещение. Это была проблема со старыми датчиками. Некоторые новые датчики, с которыми мы работали, используют запатентованное покрытие на элементе RH, которое защищает его и продлевает срок службы элемента без ухудшения производительности. В условиях постоянно более высокой влажности, например, в прибрежных районах или тропических лесах, калибровка датчика или его микросхема относительной влажности требуют более частой замены. Это может происходить раз в полгода или год.
  
  

• Все больше производителей внедряют датчики температуры/относительной влажности с подогревом, чтобы обойти проблемы с конденсацией. Идея состоит в том, что отдельный датчик температуры измеряет температуру воздуха, в то время как элемент RH, имеющий собственный датчик температуры, поддерживает определенную температуру выше точки росы. Датчик принимает измеренное значение влажности при его температуре и преобразует это значение в правильное значение влажности для значения температуры воздуха. Для работы этих датчиков требуется немного больше энергии. Компания Campbell Scientific в настоящее время не предлагает модели этого типа, но нам пришлось их интегрировать.
  
  

• Материал датчика относительной влажности чувствителен к загрязнению. Тип загрязнения, которое ухудшает или разрушает конкретный чувствительный элемент относительной влажности, обычно уникален для производителя. Как правило, нефтехимическое воздействие вредно. Очень немногие датчики температуры/относительной влажности могут успешно работать на нефтеперерабатывающем заводе. То же самое относится и к аммиаку (отходам животного или человеческого происхождения), а также сероводороду или диоксиду серы.

Вы можете заметить, что большинство перечисленных выше проблем не применимо к датчикам, используемым в системах отопления, вентиляции и кондиционирования или в климатических камерах. Однако использование этих датчиков в течение длительного времени в метеорологических приложениях – это совсем другая история. Вот почему мы стараемся проводить очень тщательные испытания, которые проводим здесь, и самостоятельно проверять заявления производителей.

Советы по выбору датчика температуры воздуха/относительной влажности

Предостережение:  Я твердо верю в принцип «вы получаете то, за что платите».

Ниже приведены некоторые соображения при выборе датчика температуры воздуха/относительной влажности.

Каков твой бюджет?

Более дешевые датчики не будут иметь такого разрешения и точности, как датчики высокого класса. Но обычно недорогие датчики отлично работают в полевых условиях, не требуют калибровки (элемент RH заменяется на месте) и соответствуют или превосходят требуемые от них точность и разрешение.

Каковы характеристики разрешения и производительности?

Правда в том, что измерить относительную влажность сложно. Вода в паровой фазе представляет собой подвижную молекулу, поведение которой в зависимости от температуры совершенно нелинейно. Поведение воды снова меняется, когда температура падает ниже точки замерзания. Каждый датчик, представленный на рынке, столкнется с трудной задачей и соответствующей высокой неопределенностью при попытке измерить значение влажности 90% и выше. Более сложная задача — измерить относительную влажность при температуре ниже нуля.

Какая точность вам действительно нужна?

Ознакомьтесь с характеристиками датчика и проверьте время отклика фильтра. Задавайте вопросы. Имейте в виду, что как только этот датчик будет помещен в многопластинчатый экран без наддува, температурные характеристики могут быть просто искажены. Под прямыми солнечными лучами в теплый день при очень слабом ветре температура внутри экрана может быть на 0,5–1,5 °C выше фактической температуры окружающей среды.

Как вы хотите справиться со смещением относительной влажности?

Все чипы RH емкостного типа будут дрейфовать. Со временем элемент RH выйдет из строя (образуя сеть поверхностных трещин), а RH выйдет из строя.

Можете ли вы прервать сбор данных измерений, чтобы отправить датчик на калибровку? Вам придется сделать это для датчиков более высокого класса. В некоторых случаях вы можете заменить головку датчика в полевых условиях на калиброванную.

Вы бы предпочли пойти на свою площадку и заменить чип RH? Вы никогда не сможете сделать это для высококачественных датчиков. Вы просто не сможете добиться высочайшей производительности от чипа, заменяемого в полевых условиях.

Какой регистратор данных вы используете?

Всегда проверяйте совместимость регистратора данных, который вы хотите использовать, с датчиком.

Каковы условия окружающей среды?

Например, имеет ли место установки датчика постоянно высокую влажность? Много ли летящей пыли? А как насчет ледяного дождя, изморози или горизонтального снега?

Важно понимать среду, в которой будет расположен датчик.

• В местах с высокой влажностью потребуются более частые посещения для замены датчика или чипа относительной влажности, в зависимости от типа датчика.

• Выдувание пыли приносит свои проблемы. Скопление пыли на вентиляторном или многопластинчатом щите приведет к искажению температуры в яркие солнечные дни. Пыль забивает фильтрующий материал.

• Измерения датчика будут отключены после того, как многопластинчатый или вентиляторный щиток покроется льдом или забит снегом. В этот момент датчик измеряет окружающую среду внутри экрана, а НЕ снаружи.