Nem Sensörleri(Humidity Sensors)

Nem ; hava içerisindeki su buharı miktarı olarak tanımlanabilir. Hava içerisindeki su buharı miktarı insanların yaşam konforunu etkilediği gibi endüstrideki üretim proseslerini(süreçlerini) de etkilemektedir.Nem miktarı bunların yanında çeşitli fiziksel,kimyasal ve biyolojik prosesleri etkiler.Nem miktarının belirlenmesi ,ölçülmesi endüstri içinde kritik bir öneme sahiptir çünkü ticari olarak ürün maliyetini ve çalışan personelin sağlık ve güvenliğini etkileyebilir.Bunun sonucu olarak nem duyarlılığı özellikle insan konforu ve endüstriyel proseslerde çok önemlidir.

Birçok endüstriyel ve yerli uygulamalarda nemi kontrol etme ve gözleme yüksek öneme sahiptir.Yarı iletken endüstirisinde; silikon devre levhası prosesinde nem ve rutubet düzeyi uygun şekilde kontrol altında tutulmalıdır . Medikal uygulamalarda ; solunum cihazlarında,sterilizatörlerde,bakteri üretmeye yarayan aletlerde(kuvöz),ilaç üretim proseslerinde ve biyolojik ürünlerde nem kontrolü gereklidir.Nem kontrolü ayrıca kimyasal gaz arıtma(saflaştırma),kurutucular,fırınlar,film kurutucu,kağıt ve tekstil üretimi ve gıda proseslerinde olmazsa olmaz öneme sahiptir.Tarımda ;tarla koruması(çiğlenme koruması),toprak rutubet gözlemlemesi vb. de nem ölçümü önemlidir. Yerli uygulamalarda ; binalarda yaşam alanlarında ,mikrodalga fırınlarda yine nem kontrolü gereklidir.Bu saydığımız uygulamalarda ve başka birçoğunda nem sensörleri çevrenin nem , rutubet duzeyini ölçme ve göstermede görevlidir.

Nem Sensörü:

KONU İLE İGİLİ NEM TERİMLERİ

Nem düzeyinden bahsederken çeşitli terminolojiler kullanılır.Hava içindeki su buharı konsantrasyonu(derişimi) sıcaklığın ve basıncın fonksiyonu olarak psikometrik alanda düşer .Psikometri nemli gazların termodinamik özellikleriyle ilgilenirken nem terimi kısaca hava yada diğer gazlar içindeki su buharından bahseder.

Nem ölçümleri gaz içindeki su buharı miktarını belirler ve bu gaz karışım olabilir örneğin hava bir gaz karışımıdır yada gaz saf olabilir örneğin nitrojen yada azot gazı.Nem düzeyini göstermede kullanılan terimler ve özellikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir:

Nem ölçümlerinde en sık kullanılan terimler relative humidity(bağıl nem B.N) R.H, Dew/frost ( çiğlenme ,kırağılaşma ) noktası,ve PPM(parts per million) dur .Bağıl nem sıcaklığın fonksiyonudur ve nitekim bağıl ,karşılaştırmalı bir ölçümdür. Çiğlenme / Kırağılaşma noktası ise gazın basıncının bir fonksiyonudur ancak sıcaklıktan bağımsızdır bundan dolayı mutlak nem kavramı ortaya çıkmıştır.

Çiğlenme ve Kırağılaşma noktaları gazın kuruluğu bakımından önem taşır. Ayrıca çiğlenme noktası su buharının göstergesi olarak yüksek sıcaklık koşullu proseslerde kullanılır örnek vermek gerekirse ; endüstriyel kurutma prosesleri.

Bağıl nem (RH), Çiğlenme/Kırağılaşma (dew/frost) noktası ve PPM(hacimce)  ilişkileri aşağıda gösterilmiştir.

NEM SENSÖRÜ- SINIFLANDIRMA VE PRENSİPLERİ

Ölçüm birimine göre nem sensörleri bağıl nem sensörleri ve mutlak nem sensörleri olarak ikiye ayrılır. Piyasadaki sensörlerin çoğu bağıl nem sensörüdür ve değişik prensiplere sahiptirler.

Aşağıdaki tabloda değişik tipteki bağıl nem sensörlerinin önemli parametreleri gösterilmektedir:

Algılama Prensibi

Nem ölçümü kuru yada yaş higrometre(nemölçer) ,çiğlenme noktası higrometresi ve elektronik higrometre ile yapılabir. Elektronik nemölçer piyasasında ilerleme görülmektedir ve piyasada nem sensörleri diye adlandırılmaktadırlar.

Elektronik nem sensörleri kapasitif  ve resistif algılama prensiplerine uyanlar olarak ikiye ayrılırlar .

Kapasitif Etkili Sensörler

Bu nem sensörleri higroskopik yarı iletken malzemenin elektrot çiftlerinin arasına yerleştirilmesi prensibine yani kapasitör prensibine göre yapılır. Çoğu kapastif nem sensöründe yarı iletken malzeme olarak plastik yada polimer kullanılır. Bu maddelerin tipik yarı iletken sabitleri 2 ile 15 arasıda değişkenlik gösterir. Nem yokluğunda yarı iletken sabiti higroskopik yarı iletken malzemenin ve sensörün geometrisi kapasitans değerini belirlemede rol oynar.

Normal oda sıcaklığında su buharının yarı iletken sabiti yaklaşık olarak 80 dir. Bu değer sensördeki yarı iletken malzemenin sabitinden oldukça fazladır. Bu nedenle su buharının sensör tarafından absorbe edilmesi, sensör kapasitans değerinin artmasına neden olur.

Denge koşullarında higroskopik materyaldaki nem miktarı hem çevre sıcaklığına hem de su buharının basıncına bağlıdır.

Tanım olarak, bağıl nem hem çevre sıcaklığının hem de buhar basıncının bir fonksiyonudur. Bundan dolayıdır ki bağıl nem ile sensördeki nem miktarının ve sensör kapasitansının ilişkisi vardır. Bu ilişki kapasitif sensörün kontrolünü sağlar.

Kapasitif nem sensörünün yapısı aşağıda gösterilmiştir:

Aliminyum substratın üzerindeki alt elektrot altın platin yada diğer başka maddelerden oluşmuştur. Polimer tabakası ,örnek olarak PVA elektrodun üzerine yerleştirilmiştir. Bu tabakalar nemi algılarlar. Polimer filmin üzerine altın bir tabaka yerleştirilmiştir ve bu tabaka da üst elektrot olarak davranır. Üst elektrot su buharının, içerideki tabakalara geçmesini sağlar. İç ve dıs buhar dengeye gelene kadar buhar ,higroskopik tabakaya geçer veya gerektiğinde uzaklaştırılır. Yukarıda belirtildiği gibi bu tip sensörler basit bir kapasitör gibi çalışlırlar ve buradaki dielektrik malzeme polimerdir.

Direnç Etkili Sensörler

Direnç etkili sensörler çevredeki nem değişimine yanıt olarak sensör elementinin direnç değerini değiştiriler.

Direnç etkili sensörlerin basit yapısı aşağıda gösterilmiştir:

Kalın iletken filmin metali örnek olarak pahalı bir metal olan altın , rutenyum oksit ile basılır ve yakılır ,elektrot formuna dönüştürülür. Daha sonra polimerik film elektrot üzerine uygulanır. Bu film nem algılama filmi olarak görev alır ve iyon değişimlerini algılar. İyon sayısı değiştikçe enpedans değeride değişir.

Avantaj ve Dezavantajlar

Kapasitif tipteki sensörler oldukça doğrusal davranırlar. Bunun sonucu olarak bağıl nemi %0 dan %100 e kadar ölçebilirler. Ancak karmaşık bir devre yapısına ve düzenli bir kalibrasyona ihtiyaç duyarlar. Direnç tipi sensörler düşük nem değerlerini ölçmede zorluk çekerler(bağıl nem <%5). Empedans değerindeki değişiklik çok yüksektir bunun sonucu olarak dinamikleri kontrol etmek zorlaşır. Sıcaklık önemli derecede bu dinamikleri etkilemektedir ancak elektronikteki gelişmeler sayesinde sıcaklık etkenleri ve yüksek empedans değişimleri baskılanabilir.

Kapasitif bağıl nem sensörleri hem atmosferik hem de proses ölçümlerinde hakimiyet kurar ve kapasitif sensörler geniş skalada kesin sonuç veren tek sensör çeşididir. Düşük sıcaklık etkisi nedeniyle aktif sıcaklık kompanzasyonu olmadan geniş sıcaklık skalasında sık sık kullanılırlar. Termoplastik tabanlı kapasitif sensörlere göre termoset polimer tabanlı kapasitif sensörler yüksek sıcaklıklarda kullanılabilir ve kimyasal sıvılara ,gazlara karşı daha yüksek direnç gösterebilirler. Örnek olarak izopropil, benzen , toluen, formaldehitler,yağlar vb.

Diğer Nem Algılayıcı Mekanizmalar

1-Coulometrik

Elektrolit suyun absorbasyonu ile oluşturulur ve ortamdaki nem miktarıyla orantılı olarak akım değeri elde edilir.

2-Gravimetrik

Bir miktar nemli hava tartılır ve daha sonra bir kurutucuya maruz bırakılır tekrar tartılır. Bu ağırlık farkı nem oranını hesaplamada kullanılır.

3-Mikrodalga-Kızılötesi

Yayılan zayıflaştırılmış sinyal nem miktarı arttıkça değişkenlik gösterir ve böylece ortamdaki nem miktarı belirlenebilir.

4-Kuru ve Yaş Bulb Termometresi

Psikometre ,kuru ve yaş termometre ölçümlerini kullanarak bağıl nem miktarını belirler.

5-Çiğlenme Noktası

Çiğlenme noktası higrometreleri çiğlenme noktalarını çiğ tanelerinin olşumuyla belirlerler.

Nem Sensörleri Karakteristikleri

Sensör karakterizasyonu genellikle n-point(genellikle n=9)karakterizasyonuna bağlı olarak yapılır. Karakterizayson belli bir sıcaklıkta gerçekleşir(25 C).

9 nokta karakterizasyon metodunu açıklamak gerekirse nem düzeyi sensörün çıkış voltajı olarak verilir. Nem düzeyleri %0,  %25,%53.2, %75.3, %93.8 ,%75.3, %53.2, %25, %0 da alınır.Karakterizasyon sonuçlarına dayanarak BFSL(Best Fit Straight Line) çizilir ve sensör karakteristikleri data sheetlere konulur.

• Kesinlik

Kesinlik her bir bireysel sensör için özel kalibrasyon eğrileri aracılığla belirlenir. Bu eğriler BFSL ve lineer olmayan 2. derece eğrilerdir.

Kesinliğin RH  olarak %2 olan (BFSL) sensöründen örnek verecek olursak ; eğer sensör çıkış voltajı %0 RH ta 0.689 V ise , ortalama eğim (BFSL) 0.036V/%RH  ve ofset değeri 0.662 ise bunun BFSL  kesinlik hatası (0.689-0.662)/0.036=%75 RH olarak verilir. Sensör kesinliği %2 iken sensör her zaman (BFL=0.072) 0.662 +- 0.072 V aralığında yada 0.59 V -0.734 V aralığında çıkış verir.

• Histeris

Histeris 9 nokta karaterizasyonunda her 4 çifter nokta için 5% RH dönüşümlerinde iki voltaj değerinin farkıdır. Histeris mutlak bağıl nemi kaydeder.

• Değiştirebilirlik

Bir bağıl nem değerinde herhangi bir sensör populasyonunun voltaj skalasını verir. Örnek verecek olursak değiştirilebilirliği %0 RH ta %5 olan sensör için BFSL=0.036V/% RH olan sensör için %5 RH değeri 0.18 V olur. Yani çıkış voltajı 0.662+-0.18 V yada 0.482V-0.842 V skalasındadır.

• Doğrusallık

BFSL ve ölçülen çıkış voltajından olan voltaj sapmasıdır.

• Güvenilirlik

Sensörler stres testlerine tabi tutulur ve hatalı olanlar ayrılır. Güvenilirlik için MTTF(Meantime to failure) ve FIT(Number of failures per billion) terimleri tanımlanır.

• Tekrarlanabilirlik

Her bir bağıl nem değeri için maksimum sensör çıkış voltaj değişimidir.

• Yanıt Zamanı

Yanıt zamanı yavaş hava akımıyla belirlenir. Genel olarak çıkış voltajının yatışkın haldeki çıkış voltajının %63 üne ulaşması için geçen süredir. Tam tersinden düşünülerek de son değerin %37 sine düştüğü gözlemlenen süredir.

• Sıcaklık Kompanzasyonu

Bağıl nem ve sensörün çıkış voltaj değeri sıcaklıktan etkilenir. Çoğu sensörde sıcaklık ölçülür ve sıcaklık etkisi nem ölçümünde hesaba katılarak sonuç doğru biçimde verilmiş olur. Buna sıcaklık kompanzasyonu denir.

• Kararlılık

Belli bir bağıl nem değerinde çıkış voltajının zaman içindeki sapmasıdır.

Nem Sensörlerinin Seçimi

Bağıl nem kalibrasyonu için fiziksel bir standart bulunmadığından nem enstrümanları uygun şekilde belirlenemez. Bu kullanıcı için daha derin araştırmama gereksinimi doğuracaktır. Sensör seçimi için kesinlik, doğrusallık,histeris,kalibrasyon hataları,uzun dönem kararlılığı gibi etkenler OEM destek dökümanlarından incelenmelidir.

Kaynak: www.engineersgarage.com