Analoge Infrarot-Thermosäulen (Englisch)

Einführung:

Willkommen bei „Smarter mit Sensoren“. Unsere Videoserie, die die neuesten Sensortechnologien von TE Connectivity erläutert.

Heute stellen wir in SMARTER MIT SENSOREN den HTU31 Feuchtigkeits- und Temperatursenso vor.

1. Luftfeuchtigkeit, was ist das und warum ist sie wichtig?

Unter Feuchtigkeit versteht man den Wasserdampfgehalt in der Luft (oder einem anderen Gas).

„Feuchtigkeit“ ist ein allgemeiner Begriff, mit dem die Menge an Wasserdampf im Gas oder in der Atmosphäre gemessen wird.

Wasserdampf spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Qualität und Wirksamkeit von Produkten und Technologien, die täglich verwendet werden und für unser Dasein unerlässlich sind.

Für Hersteller in einer Vielzahl von Branchen ist es wichtig zu wissen, wie präzise Feuchtigkeitsmessungen funktionieren und welche Rolle Sensorprodukte dabei spielen.

2. Wie wird sie gemessen?

Unter Feuchtigkeit versteht man die Menge an Wasserdampf in der Luft. Dieser Gehalt kann sowohl absolut als auch relativ gemessen werden. Die absolute Feuchte ist die Masse an Wasser (MW) in einem Luftvolumen und wird häufig in g/m3 angegeben. Die meisten Menschen sind besser mit dem Begriff der relativen Feuchte vertraut, definiert als die Menge an Wasserdampf in der Luft im Verhältnis zur maximalen Menge an Wasserdampf, die die Luft bei einer bestimmten Temperatur halten kann. Die relative Feuchte wird als einfacher Prozentsatz von 0 bis 100 % angegeben.

3. Was ist der Taupunkt?

Einen weiteren Begriff, den viele aus der Wettervorhersage kennen, ist der Taupunkt. Hierbei handelt es sich um die atmosphärische Temperatur (variierend nach Druck und Feuchtigkeit), unter der Wassertröpfchen zu kondensieren beginnen und sich Tau bilden kann.

4. Warum ist Luftfeuchtigkeit von Bedeutung?

Die Luftfeuchtigkeit in Industrie- und Wohnumgebungen entscheidend für eine langfristige Gesundheit und das Wohlbefinden der Menschen – ob bei der Arbeit oder zu Hause. Die Feuchtigkeitsmessung und -kontrolle ist auch für viele Materialien und Prozesse in der Fertigungsumgebung sowie für die Sicherheit von Geräten und Mitarbeitern wichtig.

5. Was sind einige Probleme im Zusammenhang mit hoher Luftfeuchtigkeit?

Die meisten Menschen sind zumindest ein wenig vertraut mit den Problemen durch eine hohe Luftfeuchtigkeit in Innenräumen. Eine zu hohe Feuchtigkeit in Innenräumen kann zahlreiche Folgen haben: schlechte Raumluftqualität, Schimmel- und Mehltauwachstum, geringere Produktivität in industriellen Umgebungen und schlechtere Schlafqualität in Wohnumgebungen, erhöhte Asthma- und Allergiesymptome, verzogenes Hartholz und Möbel, belastete HLK-Anlagen und höhere Stromrechnungen.

Andererseits gibt es auch viele Probleme im Zusammenhang mit trockener Luft oder einer zu niedrigen Innenfeuchte, doch diese sind in der Regel weniger bekannt. In diesem Fall können Schwierigkeiten bei der Verarbeitung und Handhabung vieler Materialien in Fabriken und Industrieumgebungen, elektrostatische Entladung sowie auch Probleme hinsichtlich Gesundheit und Wohlbefinden der Menschen auftreten.

6. Produktbeschreibung

Die Feuchtigkeits- und Temperatursensoren der Serie HTU31 von TE Connectivity (TE) wurden entwickelt, um sehr genaue Feuchte- und Temperaturmessungen in einem miniaturisierten 6-poligen DFN-Gehäuse für die Oberflächenmontage mit sehr geringem Strombedarf zu ermöglichen. Diese Sensoren sind werkseitig kalibriert und entweder mit einem I²C-Digitalausgang oder einem 0,5 V bis 4,5 V Analogausgang erhältlich und arbeiten über einen weiten Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C.  Sie arbeiten über einen weiten Spannungsbereich und eine programmierbare I²C-Adresse ermöglicht den Betrieb mehrerer HTU31-Sensoren am selben I²C-Bus.  16-Bit-Auflösung und eine Genauigkeit von ±2 % für die Luftfeuchtigkeit und ±0,2 °C für die Temperatur.  Mit einer Miniaturgrundfläche von nur 2,5 x 2,5 x 0,9 mm ist der HTU31 einer der kleinsten und genauesten Temperatur‑ und Feuchtigkeitssensoren auf dem Markt

7. Funktionsweise

Der HTU31 besteht aus einer feuchtigkeitsmessenden dielektrischen Schicht zusammen mit einer porösen oberen Elektrode, einer ultradünnen Polymerschicht und einer unteren Elektrode, die Feuchtigkeit in ein kapazitives Signal umwandelt.

Dieses kapazitive Signal wird von einem benutzerdefinierten ASIC verarbeitet, der die Feuchtigkeitsinformationen in ein digitales Format ausgibt.  Die Temperatur wird auch vom HTU31 gelesen und Temperaturinformationen sind in einem digitalen Format oder als analoger Ausgang verfügbar.  Für andere Temperaturen als 25 Grad Celsius kann die Temperaturinformation verwendet werden, um einen genaueren Luftfeuchtigkeitswert zu erhalten.

Hier sind die Bauelemente, aus denen der HTU31-Sensor besteht

- Die untere Goldelektrode ist sehr robust ausgelegt und schützt das Sensorelement vor rauen Umgebungsbedingungen

- Die ultradünne Polyimidschicht wird verwendet, um die Polymer-zu-Substrat-Integrität zu verbessern

- Die Polymerschicht wurde für maximale Feuchtigkeitsempfindlichkeit optimiert

- Das dicke poröse Material der oberen Elektrode ist so konzipiert, dass es eine schnelle Reaktionszeit sowie eine schnelle Erholungszeit von Kondensation bietet

Funktionsweise – 1) Luft enthaltende Wassermoleküle umgeben den HTU31-Sensor

2) Diese feuchte Luft gelangt in die leitfähige poröse Elektrode

3) Wassermoleküle in der Luft durchdringen die Feuchtigkeitsmessung dielektrisch

4) Die Dielektrizitätskonstante verändert sich im Verhältnis zur Wasserkonzentration

5) Das ändert die Kapazität des Sensorelements

6) ASIC misst die Kapazität des Sensorelements und wandelt dann diesen  Kapazitätswert in digitale Daten um

7) ASIC misst auch die Temperatur der HTU31-Erfassungsmatrize und gibt diese Temperaturinformationen zusammen mit Luftfeuchtigkeitsdaten in I²C oder einer analogen Ausgangsspannung aus

8. Gesundheit und Komfort werden durch Feuchtigkeit beeinflusst

Der menschliche Körper besteht zu etwa 65 % aus Wasser und es ist entscheidend für unsere Gesundheit, eine Dehydrierung zu vermeiden. Es gibt zahlreiche menschliche Mechanismen, um den Flüssigkeitshaushalt im Körper aufrechtzuerhalten, und unsere Gesundheit sowie unser Wohlbefinden werden durch den Feuchtigkeitsgehalt der Raumluft erheblich beeinflusst. Unsere Haut, Augen und Atemwege benötigen eine angemessene Feuchtigkeit, um gesund zu sein und optimal zu funktionieren. Untersuchungen haben einen Zusammenhang zwischen niedriger Luftfeuchtigkeit und der Wahrscheinlichkeit einer Grippeübertragung ergeben. Die Studien haben gezeigt, dass eine höhere Luftfeuchtigkeit die Infektiosität des Influenzavirus reduziert.  Unsere körpereigenen Abwehrkräfte sind bei einem RH-Wert (Relative Humidity, relative Feuchte) von >30 % stärker. Außerdem befinden sich bei einer höheren relativen Luftfeuchtigkeit weniger infektiöse Grippeviren in der Luft und die Wahrscheinlichkeit einer Grippeinfektion sinkt.

9. Anwendungsbereiche:

Es gibt eine Reihe von Anwendungen, bei denen der HTU31 gut geeignet ist, einschließlich HLKK Anlagen.  Diese Systeme erfordern genaue Feuchtigkeits- und Temperaturdaten, um eine komfortable Umgebung für Menschen in Wohnungen und an Arbeitsplätzen zu schaffen.  Der HTU31 ist ideal, da es genaue Feuchte- und Temperaturdaten liefert, ohne dass eine Kalibrierung erforderlich ist, und einen echten Plug-and-Play-Betrieb bietet, da es direkt an einen I²C-Bus mit einem einfachen Befehlssatz angeschlossen werden kann, der die Programmierung vereinfacht, oder eine optionale analoge Version verfügbar ist, die einen 0,5 bis +4,5-Volt-Ausgang liefert.

Der HTU31 ermöglicht eine genaue und zuverlässige Regelung des Raumklimas, was nicht nur aus Sicht des Komforts wichtig ist, sondern auch für die Kontrolle der Verbreitung von Bakterien und Viren in der Luft eine Rolle spielt. Feuchtigkeits‑ und Temperatursensoren wie der HTU31 können auch in einer Reihe von Anwendungen im Gesundheitswesen wie CPAP und anderen Beatmungsgeräten eine entscheidende Rolle spielen.  Seine geringe Größe und hohe Genauigkeit liefert genaue und zuverlässige Feuchtigkeits- und Temperaturinformationen in einer Vielzahl von medizinischen Anwendungen.  Der HTU31 liefert Daten entweder in einem direkten digitalen Format oder einen 0,5-V- bis 4,5-V-Ausgang und kombiniert ein Feuchtigkeitsmesselement mit einem eingebauten Temperatursensor, um zwei Sätze von Umweltdaten in einer Reihe von Anwendungen zu liefern.

Viele der anspruchsvolleren medizinischen Atemsysteme bieten die Möglichkeit, dem regulierten Luftstrom des Patienten Feuchtigkeit hinzuzufügen.  Diese Zugabe von Feuchtigkeit kann die Behandlungen nicht nur angenehmer, sondern auch effektiver machen.

Eine weitere Anwendung, für die den HTU31 gut geeignet ist, sind Geräte wie Kühlschränke, Luftbefeuchter und Luftentfeuchter.  Die winzige Grundfläche des HTU31 minimiert den Platzbedarf auf der Platine. Durch den geringen Stromverbrauch und die Möglichkeit, den Sleep-Modus zu nutzen, eignet sich das Gerät für batteriebetriebene Anwendungen und überall dort, wo der Stromverbrauch wichtig ist.  Außerdem ist er durch seine breite Betriebsspannung von 3,0 V bis 5,5 V mit den meisten typischen Gerätesteuerungsschaltungen kompatibel.

Eine weitere Anwendung, die sich gut für den HTU31 eignet, sind Drucker und Kopierer. Luftfeuchtigkeit und Temperatur sind kritische Parameter bei der Handhabung von Papier sowie bei der Dosierung von Tinten und Tonern und sorgen dafür, dass der Prozess effizient und die Ergebnisse professionell sind. Die hohe Zuverlässigkeit und die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen bestätigen, dass der HTU31 für eine breite Palette von kommerziellen, industriellen und Verbraucher-Druckanwendungen geeignet ist.

Wetterstationen, sowohl im kommerziellen als auch im privaten Bereich, sind ein weiterer Bereich, in dem der HTU31 eingesetzt werden kann.  Durch den weiten Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +125 °C und die hohe Genauigkeit ist er gut für den Einsatz im Außenbereich und kostenkritische Anwendungen geeignet.

Komfort- und Steuerungssysteme im Automobilbereich sind ein weiteres Anwendungsgebiet, für das sich der HTU31 gut eignet.  Der Betriebstemperaturbereich passt zu den Anforderungen der Automobilindustrie, und seine geringe Größe erlaubt es, ihn in enge Räume zu integrieren und schnell auf Temperaturänderungen zu reagieren. Die Luftfeuchtigkeit ist nicht nur für den Fahrgastkomfort wichtig, sondern auch für die Überwachung und Steuerung des Beschlags von Scheiben und Spiegeln.

10. Übersicht

TE Connectivity hat den neuen HTU31 eingeführt: Ein digitaler Feuchtigkeits- und Temperatursensor für die Oberflächenmontage mit Ausgangssignalen für Feuchtigkeit und Temperatur, in einem 2,5 x 2,5 x 0,9 mm-Gehäuse. Diese individuell kalibrierten, hoch präzisen Sensoren sind für die Nachverfolgbarkeit serialisiert und bieten eine typische Genauigkeit von ±2 % für die relative Feuchte und ±0,2 °C für die Temperatur.  Sie verfügen über ein kompaktes 6-poliges Gehäuse in DFN-Ausführung, bieten eine schnelle Reaktionszeit und haben einen typischen Stromverbrauch von nur 3,78 μW. Die Sensoren sind sowohl im digitalen I²C-Format mit konfigurierbarer Adresse als auch als analoge Version mit einem 0,5-4,5 V-Ausgang verfügbar.

Nachdem wir Ihnen heute unsere neueste Sensortechnologie vorgestellt haben, sind nun Sie an der Reihe, den Sensor in die Produkte von morgen einzubauen. Besuchen Sie TE.com, um mehr über diesen Sensor und das breite Portfolio an Sensorlösungen von TE zu erfahren.