Auswahl der richtigen Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren: Ein technischer Leitfaden für HLK und mehr

Wussten Sie, dass eine HLK-Anlage in einer kritischen pharmazeutischen Umgebung bis zu 200–1000 Feuchtigkeits- und Temperatursensoren haben kann? Die Verwendung von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren geht über HLK-Anwendungen hinaus. Sie sind für die Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, Kraftwerkprozesse, Rechenzentren, Serverräume, Wetterstationen, Gesundheitszentren, IoT-Geräte und mehr von entscheidender Bedeutung. Ihre Form, Art und Sensorfähigkeiten können jedoch variieren.

Feuchtigkeits- und Temperatursensoren mögen wie einfache Instrumente aussehen, unterscheiden sich jedoch je nach Anwendung. Unter Berücksichtigung der technischen Aspekte kann die Suche nach dem idealen Temperatur- und Feuchtigkeitssensor für Ihr System Geld und Zeit sparen. Dieser ultimative Leitfaden bietet umfassende, detaillierte Informationen zu Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren. Lassen Sie uns loslegen!

Überblick und Funktionsprinzip von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren

Das Erfassen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit von Luft oder Flüssigkeit, die durch ein Rohr oder einen Kanal strömt, ist für die Anpassung des Heiz- und Kühlbedarfs von entscheidender Bedeutung. Es liefert wertvolle Einblicke in den Prozess, die zu einer höheren Qualität der Ergebnisse führen. Wenn wir wissen, wie Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren funktionieren und welchen Zweck sie haben, können wir den richtigen Sensor für unsere Anwendung finden.

Was sind Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren?

Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren können Umgebungsveränderungen um ihre Sensorteile herum erkennen und dem Controller Rückmeldungen zur Anpassung geben. Diese Sensoren können sich nur innerhalb eines Motors, einer Rohrleitung oder einer Raumatmosphäre befinden, um die Umgebung zu überwachen und dem Benutzer Informationen zu geben. Ihre jüngste Integration in die Smart-Home-Technologie hat ihre Bedeutung noch weiter erhöht.

Moderne Haushalte verfügen über Smartphone-Anwendungen, die mit einem Smart-Home-Thermostat gekoppelt sind. Sein Zweck besteht darin, alle Heiz- und Kühlgeräte im Haus zu steuern. Ihr Haus könnte über einen Fußboden, Poolwasser, Brauchwasser, Raumluft und viele andere Temperaturregler wie Wärmepumpen und Klimaanlagen verfügen. Alle von ihnen verfügen über Temperatursensoren, die die Temperaturbedingungen an den Thermostat melden und die Leistung des Steuergeräts anpassen, um eine angenehme Wasser-, Fußboden- und Luftatmosphäre zu schaffen.

In industriellen Anwendungen erfassen diese Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren die Luft- oder Prozessbedingungen und wandeln sie in elektrische Signale um. Controller erfassen diese elektrischen Signale, wandeln sie in wertvolle Daten um und steuern den Prozess, um die Produktivität zu steigern. Sogar das Gerät, mit dem Sie den Artikel lesen, verfügt über Temperatursensoren zum Überhitzungsschutz.

Funktionsprinzip von Temperatursensoren

Die Technologie zur Temperaturmessung hat sich seit 1592 verändert. Die Feststellung der Kontraktion einer festen Luftmasse beim Übergang von einer heißen in eine kalte Umgebung stellte die Temperaturänderung dar. Temperatursensoren sind dank Elektrizität und moderner Elektronik hochentwickelt und vielseitig einsetzbar geworden. Hier sind drei Arten von Temperatursensoren:

● Thermoelemente

Wie der Name schon sagt, werden zwei unterschiedliche Metalle an der heißen Verbindungsstelle miteinander verbunden. Das andere Ende der Metalle wird mit der kalten Verbindungsstelle verbunden. Wenn die heiße Verbindungsstelle Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, erzeugt sie eine Spannung, die mithilfe von Anschlussdrähten erkannt werden kann. Die Spannungsänderungen sind proportional zu den Temperaturänderungen der heißen Verbindungsstelle. Das Erkennen der Spannung liefert Temperaturänderungen.

Thermoelemente haben verschiedene Spezifikationen, die für bestimmte Anwendungen und Budgetanforderungen relevant sind. Sie können je nach Temperatur, Vibrationsfestigkeit, Haltbarkeit und chemischer Beständigkeit variieren. ANSI MC96.1 unterteilt Thermoelemente in mehrere Typen: J, K, T, E, R, S und B.

Thermoelemente sind aufgrund ihres höheren Temperaturbetriebsbereichs, ihrer Haltbarkeit und Erschwinglichkeit beliebte Temperatursensoren .

● Widerstandstemperaturfühler (RTD)

Der RTD misst den Widerstand eines Drahtes, der Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Es ist eine anerkannte wissenschaftliche Erkenntnis, dass sich der Widerstand eines Drahtes ändert, wenn sich seine Temperatur ändert. Wenn sich die Temperatur ändert, erkennt der kalibrierte Regler die Widerstandsänderung und liefert einen Temperaturwert.

RTDs gibt es in drei Konfigurationen: 2-, 3- und 4-Leiter. Eine Erhöhung der Anzahl der Drähte oder der Drahtdicke kann zu einer höheren Genauigkeit führen, da der Widerstand der Anschlussdrähte die Ergebnisse der RTDs beeinträchtigen kann. Der Widerstandsdraht kann aus verschiedenen Materialien bestehen, was zu unterschiedlichen Temperaturbereichen und Genauigkeiten führt.

● Halbleitertemperatursensoren

Ein weiterer beliebter Typ von Temperatursensoren ist der Halbleitersensor. Diese Sensoren sind in integrierten Schaltkreisen verbaut und werden auch IC-Temperatursensoren genannt. Wenn sich die Temperatur der beiden Dioden mit der Umgebung ändert, entsteht eine Spannungsänderung. Ein Schaltkreis erkennt den Ausgang und wandelt ihn dann in ein digitales Gerätesignal um.

Diese Sensoren sind die günstigsten und werden in der Elektronikindustrie am häufigsten eingesetzt. Computer, Smartphones, Rechenzentren und alle anderen elektronischen Geräte nutzen diese Sensoren, um Temperaturänderungen zu erkennen. Sie sind jedoch nicht ideal für Anwendungen mit hohen oder sehr niedrigen Temperaturen. Ihre Genauigkeit nimmt mit der Temperatur drastisch ab.

Funktionsprinzip von Feuchtigkeitssensoren

Feuchtigkeitssensoren werden häufig in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik sowie in der Lebensmittel- und Medizinbranche eingesetzt. Feuchtigkeit kann sich direkt auf das Wohlbefinden des Menschen auswirken und bei Industriemotoren Schäden an den elektrischen Leitern verursachen. Das Erfassen und Aufrechterhalten der Feuchtigkeit ist für Prozess- und Umgebungsbedingungen von entscheidender Bedeutung. Es gibt hauptsächlich drei Arten von Sensoren:

● Kapazitiver Feuchtigkeitssensor

Diese Sensoren können Feuchtigkeit im Bereich von 0 % bis 100 % (RH) erkennen, indem sie einfach die Kapazität messen. Ein dielektrisches Material trennt zwei leitfähige Materialien. Wenn das dielektrische Material Feuchtigkeit oder Wassermolekülen ausgesetzt wird, ändert sich seine Kapazität. Die Kapazität ist direkt proportional zur relativen Feuchtigkeit (%RH).

Der Sensor erkennt die relative Luftfeuchtigkeit durch Änderung des Kapazitätswerts und wird häufig bei der Umweltüberwachung und in HLK-Systemen eingesetzt.

Diese kapazitiven Feuchtigkeitssensoren haben die schnellste Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde. Sie können eine Genauigkeit von ±2 % relativer Luftfeuchtigkeit liefern.

● Resistiver Feuchtigkeitssensor

Dies sind die günstigsten Arten von Feuchtigkeitssensoren. Sie verwenden ein hygroskopisches Material, beispielsweise Salz, das Luftfeuchtigkeit absorbiert. Das hygroskopische Material befindet sich zwischen den beiden Leitern oder Elektroden. Wenn das hygroskopische Material Feuchtigkeit absorbiert, erhöht sich sein Widerstand, was der Schaltkreis als Luftfeuchtigkeit erkennt. Eine Kalibrierungskurve (Widerstand vs. %RH) gibt den relativen Feuchtigkeitswert gegenüber dem Widerstand an.

● Thermodynamischer Feuchtigkeitssensor

Es handelt sich um einen der teureren Typen von Feuchtigkeitssensoren mit langsamer Reaktionszeit, aber hoher Genauigkeit. Sie verwenden eine Spiegeloberfläche, die temperaturgesteuert gekühlt wird. Wenn die Temperatur zu sinken beginnt, bilden sich Tropfen auf dem Spiegel. Der Sensor erkennt diesen Moment und registriert die Taupunkttemperatur, die in RH% umgerechnet werden kann.

Kategorien von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren

Betrachtet man die verschiedenen Arten von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, können wir sie in fünf Hauptkategorien unterteilen:

• Standalone-Temperatur- und Feuchtigkeitssensor: Diese Sensoren benötigen keine Steuerungssysteme. Sie können mit Batterien betrieben werden und verfügen über ein Display oder Analoggerät mit einem Zeiger zur Anzeige von Temperatur und Feuchtigkeit.

• Infrarot-Temperatursensor: Infrarot-Temperatursensoren eignen sich am besten für Anwendungen, bei denen der Sensor nicht direkt mit dem Feststoff oder der Flüssigkeit in Kontakt kommen kann. Sie werden normalerweise in der Hand gehalten und werfen Infrarotlicht auf eine Oberfläche, das zum Detektor des Handgeräts zurückgeworfen wird. Der Detektorteil wird auch als Thermosäule bezeichnet. Das Infrarot wird in Wärme und dann in ein elektrisches Signal umgewandelt.

• Drahtloser Temperatur- und Feuchtigkeitssensor: Diese Kategorie ist für Smart-Home-Anwendungen weit verbreitet. Eine zentrale Steuereinheit sammelt Daten von allen drahtlosen Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren und sendet sie an die Benutzeranwendung. Der Benutzer kann dann Einstellungen wie HLK-, Raumheizungs- und Warmwasseranwendungen je nach Bedarf ändern.

• Analoger Temperatur- und Feuchtigkeitssensor: Diese Sensoren werden häufig in industriellen und HLK-Anwendungen eingesetzt. Sie messen Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen mit hoher Genauigkeit, um sicherzustellen, dass der Prozess oder die Produktion von diesen Faktoren nicht beeinflusst wird. Für den Betrieb sind ein Controller und eine Verkabelung erforderlich.

• Digitaler Temperatur- und Feuchtigkeitssensor: Dabei handelt es sich normalerweise um IC- oder Halbleitersensoren, die 0 und 1 ausgeben. Sie sind ideal für die Überwachung der Temperatur von Siliziumchipsätzen oder anderer elektronischer Hardware für Rückmeldungen und Schutzabschaltsignale. Sie haben einen niedrigen Temperaturerfassungsbereich und ihre Genauigkeit ist nur für elektronische Anwendungen ideal.

Anwendungen von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren

Anwendungen in HLK-Systemen

Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) erfordern mehrere Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, um die Umgebung für Menschen, Produkte oder Prozesse angenehm zu gestalten. Diese Sensoren erfassen Echtzeitwerte, um die Bedingungen zu beurteilen und die Leistung des HLK-Systems entsprechend anzupassen.

Um die Leistung Ihres HLK-Systems zu verbessern, sollten Sie Alsavos ‘ umfassende Produktpalette in Betracht ziehen. Ihr Produktsortiment umfasst Thermostate, Temperatursensoren, Feuchtigkeitssensoren, thermische Stellantriebe, thermostatische Heizkörperventile und anderes Zubehör. Diese Produkte eignen sich für private, gewerbliche und industrielle Anwendungen und bieten Lösungen zur Optimierung der HLK-Systemleistung, Verbesserung der Energieeffizienz und Verbesserung von Komfort und Kontrolle.

Laut OSHA Compliance for General Industry Manual liegt der ideale Temperaturbereich, auch „Komfortzone“ genannt, zwischen 22 °C und 27 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40 % bis 60 %. HLK-Systeme passen die Umgebung durch Rückmeldungen von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren an.

Anwendungen im industriellen Umfeld

Der Einsatz von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren ist in industriellen Anwendungen wie Medizin, Lagern, Logistik usw. unumgänglich. Im Lager werden Temperatur und Feuchtigkeit ständig überwacht und angepasst, um die Qualität des gelagerten Materials aufrechtzuerhalten und Schäden vorzubeugen. Ebenso können sich Produktqualität und chemische Reaktionen in der Medizin unter verschiedenen Temperatur- und Feuchtigkeitsbereichen drastisch ändern. Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren können im industriellen Maßstab eingesetzt werden.

Anwendungen in IoT-Geräten

IoT-Geräte mit drahtloser Datenübertragung zur Benutzerüberwachung und -steuerung sind ideal, wenn Sie ein Fußboden-, Wasser- oder Luftkühlungs-/Heizungssystem haben. Sie nutzen das Internet und WLAN zur Kommunikation und ermöglichen Benutzern die Anpassung von Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen. Sie spielen eine wichtige Rolle in Smart Homes. Ihre jüngste Implementierung in der Landwirtschaft und in medizinischen Geräten hat jedoch aufgrund ihrer drahtlosen Natur schnell zugenommen. Es gibt keine Kabel, was die Kosten für die Einrichtung solcher Systeme drastisch reduziert. Thermostate, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren halten die Zieltemperatur und -feuchtigkeit aufrecht.

So wählen Sie den richtigen Temperatur- und Feuchtigkeitssensor

Angesichts der großen Auswahl an Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren kann es schwierig sein, den richtigen für Ihre Anwendung zu finden. Hier sind die einfachen Aspekte, auf die Sie bei Sensoren achten sollten, um eine fundierte Entscheidung zu treffen.

Anwendbarkeit

Bewerten Sie Ihre Anforderungen je nach Anwendung. IoT-Geräte eignen sich für alle Anwendungen, bei denen es um den Komfort des Menschen geht. In industriellen Anwendungen ist jedoch die Verwendung von Detektoren mit hoher Genauigkeit, Haltbarkeit, chemischer Beständigkeit und Vibrationsfestigkeit unerlässlich. Hier ist eine Tabelle mit den geeigneten Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren für verschiedene Anwendungen:

Anwendung	Temperatursensortyp	Feuchtigkeitssensortyp
HVAC-Systeme	Thermoelemente, RTDs, Halbleitersensoren	Kapazitiv, resistiv, thermodynamisch
Industrielle Umgebungen (z. B. Lebensmittelverarbeitung, Pharmazeutika)	Thermoelemente, RTDs, Halbleitersensoren	Kapazitiv, resistiv, thermodynamisch
Rechenzentren, Serverräume	Halbleitersensoren	Kapazitiv
Wetterstationen	Thermoelemente, RTDs	Kapazitiv, Resistiv
Gesundheitszentren	Halbleitersensoren	Kapazitiv, Resistiv

Genauigkeit und Auflösung

Die Kontrolle von Temperatur und Luftfeuchtigkeit ist entscheidend, um in industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Die Genauigkeit und Auflösung können je nach Sensortyp variieren. Hier finden Sie eine Tabelle mit der Genauigkeit und Auflösung verschiedener Arten von Feuchtigkeits- und Temperatursensoren. Berücksichtigen Sie diese Faktoren je nach Ihren Anforderungen.

Typ	Genauigkeit	Auflösung
Thermoelement	±0,1 °C bis ±1 °C	0,01 °C bis 0,1 °C
Widerstandstemperaturfühler (RTD)	±0,1 °C bis ±0,5 °C	0,01 °C bis 0,1 °C
Halbleitertemperatursensor	±0,5 °C bis ±1 °C	0,1 °C
Kapazitiver Feuchtigkeitssensor	±1 % rF bis ±3 % rF	0,1 % relative Luftfeuchtigkeit bis 0,5 % relative Luftfeuchtigkeit
Resistiver Feuchtigkeitssensor	±2 % relative Luftfeuchtigkeit bis ±5 % relative Luftfeuchtigkeit	0,1 % relative Luftfeuchtigkeit bis 1 % relative Luftfeuchtigkeit
Thermodynamischer Feuchtesensor	±0,5 % relative Luftfeuchtigkeit	0,1 % relative Luftfeuchtigkeit

Ansprechzeit

Die Reaktionszeit ist die Zeit, die der Sensor benötigt, um einen stabilen Wert im Einklang mit der Umgebung zu erreichen. Die Reaktionszeit in Haushaltsanwendungen muss nicht hoch sein. In industriellen Anwendungen hingegen ist ein Sensor mit hoher Reaktionszeit entscheidend, damit das System die Parameter so schnell wie möglich anpassen kann. Hier sind die allgemeinen Reaktionszeiten von Sensoren:

• Thermoelement: Schnell (Sekunden bis Minuten)
• Widerstandstemperaturdetektor (RTD): Schnell (Sekunden bis Minuten)
• Halbleitertemperatursensor: Sehr schnell (Millisekunden)
• Kapazitiver Feuchtigkeitssensor: Schnell (Sekunden)
• Resistiver Feuchtigkeitssensor: Langsam (Minuten)
• Thermodynamischer Feuchtigkeitssensor: Langsam (Minuten)

Haltbarkeit und Umweltverträglichkeit

Die Ausrüstung muss in einer Umgebung mit hoher Korrosion, Chemikalien, Feuchtigkeit, Temperatur, Vibration und Staub langlebig sein. Ein Benutzer, der den Kauf eines Temperatur- und Feuchtigkeitssensors erwägt, sollte sich vor dem Kauf die folgenden Faktoren genau ansehen:

• Chemische Verträglichkeit
• Korrosionsbeständigkeit
• Temperaturtoleranzbereich
• Vibrationsfestigkeit
• Staubbeständigkeit
• IP-Schutzart
• Feuchtigkeitstoleranz
• Verwendung im Freien

Zukünftige Entwicklungen und technologische Trends

Fortschritte in der Sensortechnologie

Die Welt macht in allen Bereichen Fortschritte und aufgrund der massiven Industrialisierung sind Innovationen in der Sensortechnologie unvermeidlich. Zukünftige Sensoren werden eine höhere Genauigkeit und Auflösung sowie eine extrem kurze Reaktionszeit aufweisen. Dank der Materialtechnologie können Sensoren auch unter extremen Bedingungen ohne Schäden arbeiten. WiFi und 4G sind derzeit in IoT-Geräten für Smart Homes implementiert. Ihre Reife und die erwartete 5G-Integration werden ihre Berichterstattung bald ultraschnell machen.

Nachhaltigkeit und Energieeffizienz

HVAC-Systeme waren die größten Verursacher von Treibhausgasen, doch Wissenschaftler erkannten sofort das Problem, Kühlmittel durch ozonfreundliche Gase zu ersetzen. Ebenso verbessern fortschrittliche Wechselrichtertechnologie und präzise Sensoren die Temperaturregelung und erhöhen die Effizienz. Moderne HVAC-Systeme verbrauchen weniger Strom und bieten mehr Komfort. Die Lebensmittelindustrie, Kraftwerke und Wetterstationen erkennen immer effizienter, was zu einer besseren Prozesseffizienz und Leistung führt.

Häufig gestellte Fragen

• Wie genau sind Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren unter extremen Bedingungen?

Ein Thermoelementsensor kann eine Genauigkeit von ±0,5 °C bis ±1 °C (für Temperaturen zwischen -200 °C und 1300 °C) liefern. Allerdings hat er eine langsame Reaktionszeit. Im Vergleich dazu können RTDs eine Genauigkeit von ±1 °C bis ±2 °C (für Temperaturen zwischen -200 °C und 850 °C) liefern. Es kann immer Ausnahmen von diesen Bereichen geben, aber es handelt sich um Spezialsensoren, die normalerweise Premium-Preisschilder haben.

• Kann ein einzelner Sensor sowohl Temperatur als auch Luftfeuchtigkeit überwachen?

Ja, Sensoren für den industriellen und privaten Gebrauch können Temperatur und Luftfeuchtigkeit gleichzeitig erfassen. Bei der industriellen Verwendung besteht der Zweck darin, platzsparende zusätzliche Anschlüsse in Prozessrohren oder -kanälen bereitzustellen, während bei Anwendungen im privaten Bereich Kosten und Installationsaufwand gespart werden. Ihre Genauigkeit und Reichweite sind möglicherweise nicht so robust wie die von Sensoren für den industriellen Gebrauch.

• Wie oft müssen Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren kalibriert werden?

In industriellen Anwendungen werden diese Sensoren mithilfe von vorbeugenden Wartungsplänen kalibriert, die normalerweise jährlich durchgeführt werden. Das Material und die Verdrahtungseigenschaften der Sensoren können sich im Laufe der Zeit ändern und die Kalibrierungskurve beeinflussen. Der Controller muss sich mindestens einmal im Jahr an die Änderung anpassen, um genaue Messwerte zu erhalten.

• Was ist der Unterschied zwischen analogen und digitalen Temperatursensoren?

Analoge Sensoren erfassen die Temperaturänderung und geben einen analogen Ausgang aus, während digitale Temperatursensoren einen digitalen Ausgang liefern. Die Erzeugung eines analogen Sensors kann jedoch eine Änderung der Spannung oder des Widerstands über den Sensor hinweg sein. Ebenso liefern digitale Sensoren einen Ausgang in 0en und 1en, der von digitalen Schaltkreisen erkannt werden kann.

• Wie helfen Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren bei der Optimierung der HLK-Effizienz?

HLK-Systeme benötigen Rückmeldungen zu Temperatur und Luftfeuchtigkeit anhand der tatsächlichen Bedingungen, um ihre Einstellungen anzupassen. Moderne HLK-Systeme sind mit Inverter-Kompressoren ausgestattet, die ihre Geschwindigkeit ändern können, um den von Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren generierten Kühlbedarf anzupassen. Dies führt zu geringeren Temperaturschwankungen und einem geringeren Stromverbrauch während des Betriebs.