Saviez-vous qu'un CVC dans un environnement pharmaceutique critique peut avoir entre 200 et 1000 capteurs d'humidité et de température ? L'utilisation de capteurs de température et d'humidité va au-delà des applications CVC. Ils sont essentiels pour la transformation des aliments et des boissons, les processus des centrales électriques, les centres de données, les salles de serveurs, les stations météorologiques, les centres de soins de santé, les dispositifs IoT, et plus encore. Cependant, leur forme, leurs types et leurs capacités de détection peuvent varier.
Les capteurs d'humidité et de température peuvent sembler être des instruments simples, mais ils varient selon l'application. En tenant compte des aspects techniques, trouver le capteur de température et d'humidité idéal pour votre système peut vous aider à économiser de l'argent et du temps. Ce guide ultime fournira des informations approfondies et complètes sur les capteurs de température et d'humidité. Allons-y !
Aperçu et principes de fonctionnement des capteurs de température et d'humidité
Détecter la température et l'humidité de l'air ou du fluide passant par un tuyau ou un conduit est essentiel pour ajuster les besoins en chauffage et en refroidissement. Cela fournit des informations précieuses sur le processus qui conduisent à une production de meilleure qualité. Apprendre à connaître le fonctionnement des capteurs de température et d'humidité et leur objectif peut nous aider à trouver le bon pour notre application.
Que sont les capteurs de température et d'humidité ?
Les capteurs de température et d'humidité peuvent détecter les changements environnementaux autour de leurs parties de détection pour fournir un retour d'information au contrôleur pour ajustement. Ces capteurs peuvent seulement être à l'intérieur d'un moteur, d'une canalisation ou de l'atmosphère d'une pièce pour surveiller et donner des informations à l'utilisateur. Leur dernière intégration avec la technologie de la maison intelligente a encore accru leur importance.
Les maisons modernes disposent d'applications pour smartphones couplées à un thermostat de maison intelligente. Son but est de contrôler tous leurs appareils de chauffage et de refroidissement domestiques. Votre maison pourrait avoir un sol, de l'eau de piscine, de l'eau domestique, de l'air intérieur, et de nombreux autres appareils de contrôle de la température, tels que des pompes à chaleur et des climatiseurs. Tous seront équipés de capteurs de température qui signalent les conditions de température au thermostat et ajustent la sortie de l'appareil de contrôle pour fournir une atmosphère confortable de l'eau, du sol et de l'air.
Dans les applications industrielles, ces capteurs de température et d'humidité détectent les conditions de l'air ou du processus et les convertissent en signaux électriques. Les contrôleurs détectent ces signaux électriques, les convertissent en données utiles et contrôlent le processus pour améliorer la productivité. Même l'appareil que vous utilisez pour lire cet article est équipé de capteurs de température pour la protection contre la surchauffe.
Principe de fonctionnement des capteurs de température
La technologie de détection de la température a évolué depuis 1592. Détecter la contraction d'une masse d'air fixe en passant d'un environnement chaud à un environnement frais représentait le changement de température. Les capteurs de température sont devenus très sophistiqués et polyvalents avec l'électricité et l'électronique moderne. Voici trois types de capteurs de température :
● Thermocouples
Comme son nom l'indique, il utilise deux métaux dissemblables couplés à la jonction chaude. L'autre extrémité des métaux est connectée à la jonction froide. Lorsque la jonction chaude est exposée à des changements de température, elle génère une tension qui peut être détectée à l'aide de fils de connexion. Les changements de tension sont proportionnels aux changements de température de la jonction chaude. Détecter la tension permet de détecter les changements de température.
Les thermocouples ont diverses spécifications qui sont pertinentes pour des applications spécifiques et des exigences budgétaires. Ils peuvent varier en fonction de la température, de la résistance aux vibrations, de la durabilité et de la résistance chimique. L'ANSI MC96.1 divise les thermocouples en plusieurs types : J, K, T, E, R, S et B.
Les thermocouples sont des capteurs de température populaires en raison de leur plage de fonctionnement à haute température, de leur durabilité et de leur abordabilité.
● Détecteurs de température à résistance (RTD)
Le RTD fonctionne en mesurant la résistance d'un fil exposé à des conditions de changement de température. C'est une science bien établie que changer la température du fil change sa résistance. À mesure que la température change, le contrôleur calibré détecte le changement de résistance pour fournir une valeur de température.
Les RTD sont disponibles en trois configurations : 2, 3 et 4 fils. Augmenter le nombre de fils ou l'épaisseur des fils peut conduire à une meilleure précision, car la résistance des fils de connexion peut entraver les résultats des RTD. Le fil de résistance peut être fabriqué à partir de différents matériaux, ce qui entraîne diverses plages de température et de précision.
● Capteurs de température à semi-conducteurs
Un autre type populaire de capteur de température est le capteur à semi-conducteurs. Ces capteurs sont disponibles en circuits intégrés et sont également appelés capteurs de température IC. Lorsque la température des deux diodes change avec l'environnement, un changement de tension est créé. Un circuit détecte la sortie et la convertit ensuite en un signal d'appareil numérique.
Ces capteurs sont les plus abordables et les plus largement adoptés par l'industrie électronique. Les ordinateurs, les smartphones, les centres de données et tout autre matériel électronique utilisent ces capteurs pour détecter les changements de température. Cependant, ils ne sont pas idéaux pour les applications à haute température ou à très basse température. Leur précision diminue considérablement avec la température.
Principe de fonctionnement des capteurs d'humidité
Les capteurs d'humidité sont largement utilisés dans les industries CVC, alimentaires et médicales. L'humidité peut affecter directement le confort humain et, dans le cas des moteurs industriels, causer des dommages aux conducteurs électriques. Détecter et maintenir l'humidité est vital pour les conditions de processus et environnementales. Il existe principalement trois types de capteurs :
● Capteur d'humidité capacitif
Ces capteurs peuvent détecter l'humidité dans la plage de 0 % à 100 % (HR) en utilisant le mécanisme simple de mesure de la capacitance. Un matériau diélectrique sépare deux matériaux conducteurs. Lorsque le matériau diélectrique est exposé à l'humidité ou aux molécules d'eau, sa capacitance change. La capacitance est directement proportionnelle à l'humidité relative (%HR)
Le capteur détecte l'humidité relative en changeant la valeur de la capacitance et est largement utilisé dans la surveillance environnementale et les systèmes CVC.
Ces capteurs d'humidité capacitifs ont le temps de réponse le plus rapide, inférieur à une seconde. Ils peuvent fournir une précision de ±2 % HR.
● Capteur d'humidité résistif
Ce sont les types de capteurs d'humidité les plus abordables. Ils utilisent un matériau hygroscopique, tel que le sel, qui absorbe l'humidité atmosphérique. Le matériau hygroscopique se trouve entre les deux conducteurs ou électrodes. Lorsque le matériau hygroscopique absorbe l'humidité, sa résistance augmente, que le circuit détecte pour représenter l'humidité dans l'air. Une courbe d'étalonnage (résistance vs. %HR) fournit la valeur d'humidité relative en fonction de la résistance.
● Capteur d'humidité thermodynamique
C'est l'un des types de capteurs d'humidité les plus coûteux, avec un temps de réponse lent mais une haute précision. Ils utilisent une surface miroir refroidie avec un contrôle de température. À mesure que la température commence à baisser, des gouttelettes commencent à se former sur le miroir. Le capteur détecte ce moment et enregistre la température du point de rosée, qui peut se traduire en %HR.
Catégories de capteurs de température et d'humidité
Considérant les différents types de capteurs de température et d'humidité. Nous pouvons les diviser en cinq grandes catégories :
- Capteur de température et d'humidité autonome : Ces capteurs ne nécessitent aucun système de contrôle. Des piles peuvent les alimenter et ils contiennent un affichage ou un analogique avec un pointeur pour indiquer la température et l'humidité.
- Capteur de température infrarouge : Les capteurs de température infrarouge sont idéaux pour les applications où le capteur ne peut pas entrer en contact direct avec le solide ou le fluide. Ils sont généralement portatifs et projettent une lumière infrarouge sur une surface, qui rebondit dans le détecteur de l'appareil portatif. La partie détecteur est également appelée thermopile. L'IR se transforme en chaleur puis en signal électrique.
- Capteur de température et d'humidité sans fil : Cette catégorie est largement disponible pour les applications de maison intelligente. Une unité de contrôle centrale recueille les données de tous les capteurs de température et d'humidité sans fil et les envoie à l'application utilisateur. L'utilisateur peut ensuite modifier les paramètres tels que le CVC, le chauffage de l'espace et les applications de chauffage de l'eau selon les besoins.
- Capteur de température et d'humidité analogique : Ces capteurs sont largement utilisés dans les applications industrielles et CVC. Ils mesurent les changements de température et d'humidité avec une grande précision pour s'assurer que le processus ou la production reste inchangé par ces facteurs. Ils nécessitent un contrôleur et un câblage pour fonctionner.
- Capteur de température et d'humidité numérique : Ce sont généralement des capteurs IC ou semi-conducteurs qui génèrent une sortie en 0 et 1. Ils sont idéaux pour surveiller la température des chipsets en silicium ou d'autres matériels électroniques pour des signaux de rétroaction et de protection contre l'arrêt. Ils ont une plage de détection de température basse, et leur précision est uniquement idéale pour les applications électroniques.
Applications des capteurs de température et d'humidité
Applications dans les systèmes CVC
Le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC) nécessitent plusieurs capteurs de température et d'humidité pour rendre l'environnement adapté aux humains, aux produits ou aux processus. Ces capteurs prennent des valeurs en temps réel pour évaluer les conditions et ajuster la sortie du système CVC en conséquence.
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Selon le manuel de conformité OSHA pour l'industrie générale, la plage de température idéale, également connue sous le nom de "zone de confort", se situe entre 22 °C et 27 °C et une humidité relative de 40 % à 60 %. Les systèmes CVC ajustent l'environnement grâce au retour d'information des capteurs de température et d'humidité.
Applications dans les environnements industriels
L'utilisation de capteurs de température et d'humidité est inévitable dans les applications industrielles telles que la médecine, les entrepôts, la logistique, etc. Dans l'entrepôt, la température et l'humidité sont constamment surveillées et ajustées pour maintenir la qualité du matériel stocké et éviter les dommages. De même, la qualité des produits et les réactions chimiques peuvent changer radicalement en médecine sous différentes plages de température et d'humidité. Les capteurs de température et d'humidité peuvent être utilisés à grande échelle industrielle.
Applications dans les dispositifs IoT
Les dispositifs IoT avec transmission de données sans fil pour la surveillance et le contrôle des utilisateurs sont idéaux si vous avez un système de refroidissement/chauffage de sol, d'eau ou d'air. Ils utilisent Internet et le WiFi pour communiquer et permettent aux utilisateurs d'ajuster les conditions de température et d'humidité. Ils jouent un rôle essentiel dans les maisons intelligentes. Cependant, leur mise en œuvre récente dans l'agriculture et les équipements médicaux a rapidement augmenté en raison de leur nature sans fil. Il n'y a pas de fils, ce qui réduit considérablement le coût de mise en place de ces systèmes. Les thermostats, les capteurs de température et d'humidité maintiennent la température et l'humidité cibles.
Comment choisir le bon capteur de température et d'humidité
En raison des nombreuses options de capteurs de température et d'humidité, trouver le bon pour votre application peut être un défi. Voici les aspects simples à rechercher dans les capteurs pour prendre une décision éclairée.
Applicabilité
Évaluez vos besoins en fonction de l'application. Les dispositifs IoT conviennent à toutes les applications où le confort humain est impliqué. Cependant, utiliser des détecteurs avec une haute précision, une durabilité, une résistance chimique et une résistance aux vibrations est essentiel dans les applications industrielles. Voici un tableau mentionnant les capteurs de température et d'humidité adaptés à diverses applications :
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Application |
Type de capteur de température |
Type de capteur d'humidité |
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Systèmes CVC |
Thermocouples, RTD, Capteurs à semi-conducteurs |
Capacitif, Résistif, Thermodynamique |
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Environnements industriels (par exemple, transformation alimentaire, produits pharmaceutiques) |
Thermocouples, RTD, Capteurs à semi-conducteurs |
Capacitif, Résistif, Thermodynamique |
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Centres de données, salles de serveurs |
Capteurs à semi-conducteurs |
Capacitif |
|
Stations météorologiques |
Thermocouples, RTD |
Capacitif, Résistif |
|
Centres de santé |
Capteurs à semi-conducteurs |
Capacitif, Résistif |
Précision et résolution
Contrôler la température et l'humidité est crucial pour obtenir les résultats souhaités dans les applications industrielles et scientifiques. La précision et la résolution peuvent varier en fonction du type de capteur. Voici un tableau représentant la précision et la résolution des différents types de capteurs d'humidité et de température. Considérez ces facteurs en fonction de vos besoins.
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Type |
Précision |
Résolution |
|
Thermocouple |
±0,1°C à ±1°C |
0,01°C à 0,1°C |
|
Détecteur de température à résistance (RTD) |
±0,1°C à ±0,5°C |
0,01°C à 0,1°C |
|
Capteur de température à semi-conducteurs |
±0,5°C à ±1°C |
0,1°C |
|
Capteur d'humidité capacitif |
±1% HR à ±3% HR |
0,1% HR à 0,5% HR |
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Capteur d'humidité résistif |
±2% HR à ±5% HR |
0,1% HR à 1% HR |
|
Capteur d'humidité thermodynamique |
±0,5% HR |
0,1% HR |
Temps de réponse
Le temps de réponse est le temps que le capteur met pour atteindre une valeur stable en accord avec l'environnement. Le temps de réponse dans les applications domestiques n'a pas besoin d'être élevé. En revanche, un capteur à réponse rapide est essentiel dans les applications industrielles pour permettre au système d'ajuster les paramètres aussi rapidement que possible. Voici les temps de réponse généraux des capteurs :
- Thermocouple : Rapide (secondes à minutes)
- Détecteur de température à résistance (RTD) : Rapide (secondes à minutes)
- Capteur de température à semi-conducteurs : Très rapide (millisecondes)
- Capteur d'humidité capacitif : Rapide (secondes)
- Capteur d'humidité résistif : Lent (minutes)
- Capteur d'humidité thermodynamique : Lent (minutes)
Durabilité et adéquation environnementale
L'équipement doit être durable dans un environnement hautement corrosif, chimique, humide, de température, de vibration et de poussière. Un utilisateur envisageant d'acheter un capteur de température et d'humidité doit examiner en profondeur les facteurs suivants avant de faire l'achat :
- Compatibilité chimique
- Résistance à la corrosion
- Plage de tolérance de température
- Résistance aux vibrations
- Résistance à la poussière
- Indice de protection (IP)
- Tolérance à l'humidité
- Utilisation en extérieur
Développements futurs et tendances technologiques
Avancées dans la technologie des capteurs
Le monde progresse dans tous les domaines, et en raison de l'industrialisation massive, l'innovation dans la technologie des capteurs est inévitable. À l'avenir, les capteurs auront une précision, une résolution et un temps de réponse ultra-rapide plus élevés. La technologie des matériaux permettra aux capteurs de fonctionner dans des conditions extrêmes sans dommage. Le WiFi et la 4G sont actuellement implémentés dans les dispositifs IoT pour les maisons intelligentes. Leur maturité et l'intégration attendue de la 5G rendront bientôt leur rapport ultra-rapide.
Durabilité et efficacité énergétique
Les systèmes CVC étaient les plus grands contributeurs aux gaz à effet de serre, mais les scientifiques ont immédiatement trouvé le problème de remplacer les réfrigérants par des gaz respectueux de l'ozone. De même, la technologie avancée des onduleurs et les capteurs précis améliorent le contrôle de la température et l'efficacité énergétique. Les systèmes CVC modernes consomment moins d'énergie et offrent plus de confort. L'industrie de la transformation alimentaire, les centrales électriques et les stations météorologiques deviennent plus efficaces dans la détection, conduisant à une meilleure efficacité des processus et à une production accrue.
FAQ
- Quelle est la précision des capteurs de température et d'humidité dans des conditions extrêmes ?
Un capteur de type thermocouple peut fournir une précision de ±0,5°C à ±1°C (pour des températures comprises entre -200°C et 1300°C). Cependant, il a un temps de réponse lent. En comparaison, les RTD peuvent fournir une précision de ±1°C à ±2°C (pour des températures comprises entre -200°C et 850°C). Il peut toujours y avoir des exceptions à ces plages, mais ce sont des capteurs spécialisés qui ont généralement des prix premium.
- Un seul capteur peut-il surveiller à la fois la température et l'humidité ?
Oui, les capteurs pour usage industriel et domestique peuvent détecter ensemble la température et l'humidité. Pour un usage industriel, le but est de fournir des ports supplémentaires économisant de l'espace dans les canalisations ou conduits de processus, tandis que dans les applications domestiques, cela permet d'économiser sur les coûts et les tracas d'installation. Leur précision et leur plage peuvent ne pas être aussi robustes que celles des capteurs dédiés industriels.
- À quelle fréquence les capteurs de température et d'humidité doivent-ils être calibrés ?
Dans les applications industrielles, ces capteurs sont calibrés à l'aide de plans de maintenance préventive, qui sont généralement fixés à une fréquence annuelle. Les caractéristiques du matériau du capteur et du câblage peuvent changer au fil du temps, affectant la courbe de calibration. Le contrôleur doit s'ajuster au changement pour une lecture précise au moins une fois par an.
- Quelle est la différence entre les capteurs de température analogiques et numériques ?
Les capteurs analogiques détectent le changement de température et fournissent une sortie analogique, tandis que les capteurs de température numériques fournissent une sortie numérique. Cependant, la production d'un capteur analogique peut être un changement de tension ou de résistance à travers le capteur. De même, les capteurs numériques fournissent une sortie en 0 et 1 qui est détectable par les circuits numériques.
- Comment les capteurs de température et d'humidité aident-ils à optimiser l'efficacité des CVC ?
Les systèmes CVC ont besoin de retours d'information sur la température et l'humidité des conditions réelles pour ajuster leurs paramètres. Les systèmes CVC modernes sont équipés de compresseurs basés sur des onduleurs qui peuvent modifier leur vitesse pour ajuster les besoins de refroidissement générés par les capteurs de température et d'humidité. Cela conduit à des fluctuations de température plus faibles avec une consommation d'énergie réduite pendant le fonctionnement.