제품에 대한 기술자료를 한번에

제품 목차

습도 센서

센서는 습도변화에 반응하고, 습도에 따라 전기전류의 흐름에 영향을 준다.

전류와 습도

Less Current (적은 전류) / More Current (많은 전류)
More Dry (건조상태) / More Humid (습한상태)

습기 유입 영향

정전 용량이 증가한다
저항은 감소한다
더 많은 전류 흐름

습도 영향

센서 종류

IST 습도 센서

박막형
신뢰성
소유권을 가진 합리적인 비용
7개까지의 각각의 층
높은 환경 저항성
기능 대비 합리적인 가격

습도 측정 기술

온도와 분위기 습도의 물리적인 수치는 인간의 질적인 생활에서 매우 중요하다. 22℃-26℃ 사이의 온도에서 30% RH 와 65% RH 사이의 습도는 일반적으로 쾌적한 상태가 되는 것으로 알려져 있다. 독일 산업 표준 DIN 1946에서는 사람들이 사는 공간에 이러한 수치 범위를 권장하고 있다. 이러한 범위를 준수할 때 공기가 조절된 공간은 일반적으로 더 나은 작업수행을 할 수 있는 훌륭한 작업의 질을 위한 환경을 제공한다.

많은 산업 공정에서, 습도는 품질을 결정짓는 중요한 요소이다. 무엇보다도, 나무, 종이, 천연 모직, 담배, 커피, 면류, 치즈 등과 같은 자연원료를 처리하는 산업분야에서 습도는 제품 품질을 향상시키기 위해 반드시 측정되고 조절되어야 한다. 인쇄 현상소, 방적기 공장 등에서 제품을 처리하고 연마하고 마무리하는 설비에서도 마찬가지로 습도를 특정 값으로 유지하는 것이 동일 품질을 유지하는데 매우 필수적이다.

온실농업을 포함한 농업과 원예에서 수확량을 극대화시키기 위해서는 특정 습도 값을 유지하는 것은 필수적이다.

박물관, 갤러리, 교회, 도서관 등에서 예술품의 보관에 있어서, 박테리아에 의한 부패나 균열에 의한 손상을 예방하기 위해서는 제한된 범위의 일정한 습도조건을 유지해야 한다. 일정한 기후조건에서 그러한 물건들을 유지함으로써 미래의 세대들을 위해 모든 종류의 문화적 유산을 보존할 수 있다. 실내수영장, 상수도, 발전소 설비의 에너지를 최적 사용하여 습도를 조절하므로 건물과 기기의 손상을 방지할 수 있다.

습도를 제어 측정하는 것이 중요한 다양한 분야가 있다. 습도는 물리적, 화학적, 생물학적 공정에서 편차가 있으므로 습도를 자연적으로 발생하는 수준을 조절하는 것 또한 산업공정에서 중요하고 유익하다.

다양한 정확도에 이르게 하는 이러한 방법들과 함께, 상대습도를 결정하기 위한 몇 가지 방법이 있다. 공기 중 수분함량을 직접 측정하는 것은 불가능하지만, 물리적 영향은 측정 될 수가 있다. 습기를 흡수하는 섬유의 길이, 소금의 전기저항, 온도의 변화에 따른 물방울 형성, 증발작용으로 인한 온도하락, 전기용량의 변화 등이 물리적 영향에 포함된다.

선택된 기후-관련용어 (Selected climate-related terms)

공기 (Air)

공기는 다음의 성분들로 구성되어 있는 다양한 기체의 혼합물이다.

구성성분	부피 (%)	질량 (%)
질소 (N₂)	78.03	75.47
산소 (O₂)	20.99	23.20
아르곤 (Ar)	0.93	1.28
이산화탄소 (CO₂)	0.03	0.04
기타 수소, 네온, 헬륨, krvpton	0.02	0.01

압력 (Pressure)

수증기는 지구상 생명에게 필수적인 구성요소이다. 대기는 단지 약0.1-2%의 적은 양의 수증기만을 함유하고 있다. 공기 중의 적은 수분량에도 불구하고, 우리의 웰빙과 많은 기술적인 공정들은 습도에 의해 영향을 받는다. 개별 수증기라 불리는 이 수증기는 전체 공기압력의 일부를 형성한다.

380 bar 이하의 압력과 -141℃ 이상인 수증기와는 별도로, 공기의 잔존 성분은 이상적인 기체로써 작용한다. 그러므로 이러한 환경조건에서, Dalton의 법칙은 각각의 구성기체들과 혼합된 전체의 기체에 모두 적용된다.

Total pressure = partial pressure N2 +partial pressure O2 + …..

총 압력 = N2 개별압력 + O2 개별압력 + …

Pges = Pa + Pb + Pc + Pd + ….

P = total pressure (전체압력)
Pa = partial pressure component a (a기체의 개별압력)
Pb = partial pressure component b (b기체의 개별압력)
Pc = partial pressure component c (c기체의 개별압력)

모든 구성성분이 사용공간을 차지하고 있기 때문에 다음과 같이 적용된다 :

Partial pressure = volume fraction * total pressure

개별 압력 = 개별 부피 * 총 압력

Pi = ri * P
Pi : partial pressure (개별 압력)
ri : volume fraction (개별 부피)
p : total pressure (전체 압력)

예를 들면, 1013 mbar의 기압에서 78%의 부피를 차지하는 질소의 개별 압력은 790mbar이다. 공기압에서, 포화 한계점 아래의 수증기는 완전한 이상적인 기체가 될 수 있다. 기체 혼합체인 “공기”의 구성요소들이 서로 유지된다면, 다음이 적용된다.

Total pressure = partial pressure of the dry air + partial pressure of the water vapour.

총 압력 = 건조한 공기의 개별 압력 + 수증기의 개별 압력

P = PI + Pd
P : total pressure (총 압력)
PI : partial pressure of the dry air (건조한 공기의 개별압력)
Pd : partial pressure of the water vapour (수증기의 개별압력)

공기압 (Air pressure)

기압 “p” 는 지구의 대기의 한계까지 공기의 수직 기둥을 만들었을 때 그것의 총 압력을 말하며, 지구위의 어떤 장소에서도 그것의 베이스 지역까지 영향을 미친다. 또한 기압이란 지구 대기의 공기압을 둘러싸는 것과는 다른 물리적으로 폐쇄된 공간에서의 총 압력을 의미한다.

상대 습도 (Relative humidity)

수증기는 공기 중에 어떤 질량도 일으키지 않는다. 그 공기는 단지 물의 특정한 최대치만을 흡수할 수 있다. 초과될 수 없는 온도 의존 한계수치가 있다. 그 최대치는 포화 습도로 알려져 있다. 포화 습도는 온도에 따라 달라진다. 기온이 높은 여름의 공기는 겨울의 차가운 공기보다 수증기를 더 많이 흡수할 수 있다. 그 포화된 수증기 압력은 물 표면이나 얼음 표면위의 각각의 온도의 포화상태에서 공기 중에 존재하는 수증기의 개별압력이라고 할 수 있다.

그러므로 포화 압력은 어떤 온도에서 발생할 수 있는 수증기의 가능한 최대 부분 압력을 나타낸다. 온도와 포화 수증기 압력간의 상관관계는 전형적인 곡선을 나타낸다. 많은 연구원들이 요즘에도 가장 널리 적용하고 있는 Magnus 방정식과 함께 이 상관관계를 연구하고 있다.

또 다른 상관관계는 Goff-Gratch 방정식에서 언급된다. 이것에 관한 추가 정보는 Beuth Verlag, 베를린에서 사용하고 있는 독일산업표준 DIN 50 010 파트2에서 제공된다.

위의 독일 산업표준에서, 포화된 수증기 압력은 ew (물) 또는 ei (얼음)으로 각각 지시된다.

Magnus는 온도의존적인 포화 수증기 압력 ew 와 ei 에 대하여 다음의 공식을 발표하였다.

ew or ei = C1 * exp ( C2 * t/C3 + t )

in mbar (메가바), with

단계	t (^oC)	C1 (mbar)	C2 (α)	C3 (^oC)
Ice	-50.9 to 0.0	6.10714	22.44294	272.440
Water	-50.9 to 0.0	6.10780	17.84362	245.425
Water	0.0 to 100	6.10780	17.08085	234.175

습도 항목 (혼합 비율) : (Humidity content : mixture ratio)

공기의 습기 함유량은 건조한 공기의 질량과 공기에 존재하는 수분의 질량의 비율 값이다. 위의 것은 수증기의 질량을 포함하는 습한 공기의 질량에 수증기의 질량의 비율을 나타내는 수증기 함유량과 대조된다. 표와 도표에서, 습도 함유량은 처리하기 쉬운 값을 얻기 위하여 수분 질량(g) / 공기 질량(kg)으로 나타내어진다. 많은 기술공정이 완전히 절대적으로 수분 존재량에 달려있기 때문에 그 혼합비율은 정확한 변동성을 가져야 하는 공정기술에서 종종 사용된다.

상대습도 100%에서의 습도 값은 포화 습도 함유에 해당한다. 후자는 특정 온도와 기압에서 기체 상태의 공기가 가질 수 있는 습도 최대치를 나타낸다. 심지어 매우 낮은 온도에서도, 공기는 비록 적은 양이지만 습기를 흡수할 수 있다

온도가 상승함에 따라, 공기의 수분 흡수 용량은 기하급수적으로 상승한다. 초과된 습기는 안개(0.01℃이상 포화곡선의 습한 안개지역에서 액체 결집상태) 또는 ice 안개(0.01℃ 이하의 포화곡선의 ice 안개 지역에서 고체집결상태)로써 존재할 수 있다.

T (^oC)	1000 mbar 50% RH g/kg	100% RH g/kg	2000 mbar 50% RH g/kg	100% RH g/kg
-10	0.807	1.62	0.403	0.87
0	1.91	3.82	0.952	1.91
10	3.84	7.73	1.91	3.84
20	7.35	14.8	3.64	7.35
30	13.48	27.55	6.67	13.48
40	23.81	49.52	11.68	23.81

이 표는 공기 중 습도 함유, 다시 말하면, 공기 중 존재하는 수분의 양은 온도, 상대 습도, 공기압에 따라 달라진다는 것을 보여 준다 공기압이 증가함에 따라, 공기는 더 적은 습기를 흡수한다. 이것은 압축된 공기 시스템에서 응축된 형태로 습기가 발생하는 이유이다.

다음의 수리적 상호관계가 적용된다.

일반적인 기체 평형상태가 적용되고 일정한 공기 기체와 수증기가 투입된다면, 다음의 결과가 나온다.

최대 습도 함유량 Xs와 공기 중 효과적인 습도 함유량 X의 비율을 포화도라고 한다. 기상, 기후학적 계산과정에서 포화도는 상대습도와 거의 일치한다.

상대 습도 (Relative humidity)

실제 적용에서, 상대습도는 공기 중에 존재하는 습도를 표현하는 데에 가장 자주 사용되는 수치이다. 상대습도는 동일한 총 압력 및 온도에 물 또는 얼음에 관하여 포화된 수증기 압력과 유효 수증기 압력의 부분 압력 비율이다. 상대 습도는 무한한 수치이므로 퍼센트로 표현된다.

자연에서 일어나는 많은 공정은 특정 평형상태를 기본으로 둔다. 예를 들어 흡습성 재료에 의한 습기의 흡수나 방출은 공기를 둘러싸고 있는 상대 습도에 의해 달라진다.

예를 들어 나무가 건조한 지역으로 옮겨진다면, 시간이 흐른 후 그 나무는 주변의 상대 습도에 따르는 습기 수준에 도달할 것이다. 다이아그램에서, 이 평형상태는 흡착 등온선에 의해 나타난다. 수리학적 관점에서, 다음의 방정식이 적용된다.

상대 습도는 습도 함유량으로 부터 계산된다.

실제 적용에서 상대습도의 비율은 %로 표현된다.

독일 산업 표준 DIN 50 010 Part2는 상대습도를 표현하는 올바른 방법을 제공한다. 도량 국제위원회는 국제적으로 통일된 시스템(SI)으로써 “50% 상대 습도” 또는 “U = 50%”을 올바른 표현의 예로 결정하였다. 그러나 지정된 U가 이미 다양한 수치에 사용되고 있기 때문에, 이 결정은 공통적으로 적용된 “50% RH”라는 표현을 반영하지 않는다. 이 표현은 널리 사용되고 있지 않았고, 앞으로도 그렇게 될 것으로 보인다.

절대 습도 (Absolute humidity)

절대 습도는 기체의 온도에 관계없이 공기 중의 한 부피에 실제로 존재하는 수분의 양을 말한다. 대부분의 기후관련 상호작용과 공정에 습기 함유량을 나타내는 것이 보다 유용할 수 있기 때문에 실제 적용에서 절대습도는 많이 쓰이지 않는다.

이슬점 (Dew point)

포화되지 않은 공기가 차갑다면, 습도 함유량과 수분의 부분압력은 일정하게 유지된다. 그러나 포화 수증기 압력이 부분 수증기 압력으로 점점 더 가까워짐에 따라 상대 습도는 증가한다.

차가운 공기는 따뜻한 공기보다 습기를 상대적으로 덜 흡수하기 때문이다. 포화 한계가 100% RH에 도달할 때, 즉, 포화 수증기 압력이 부분 수증기 압력과 같아질 때, 이것을 이슬점 온도라고 한다. 온도가 더 내려간다면, 초과된 습기는 안개(작은 물방울)의 형태로 응축된다. 상대 습도는 100%으로 남아있고, 공기 중 습기 함유량은 감소한다.

그러므로 액화가 아직 일어나지 않는 가상온도를 이슬점이라고 한다. 다음은 이슬점으로 적용된다.

이슬점에서 수분 함유량은 변하지 않는다 ; 수분이 아직 응축되지 않음. 부분 수증기 압력은 변화되지 않는다 ; 그것은 포화 수증기 압력과 같음.
이슬점에서의 상대 습도는 100% 이다. 그 공기는 최대 수증기 포화상태에 도달한다.

이슬점의 계산은 포화 수증기 압력 값이 필요하기 때문에 약간 복잡하다. 이 수치는 발표된 증기 압력 표로부터 얻을 수 있고, 또는 연립방정식을 사용해서 계산될 수 있다. 전에 언급한 Magnus 방정식은 쉽게 해결할 수 있다.

이슬점을 계산하기 위해 역으로 하면, 다음의 수리 상관관계 결과가 나온다 :

이슬점은 공기 조절 기술에서 뿐만 아니라 기상학(안개, 서리)에서도 매우 중요한 지표이다. 예를 들어, 이슬점 온도는 건조기술 분야의 조절 시스템에서 결정적인 온도이다. 똑같은 대기 상에 더 차가운 물체가 존재한다면, 액화 효과가 일어나기 때문에 그것은 기기나 빌딩에 손상을 예방하기 위해 조치가 필요할 것이다.

온도와 이슬점에 따른 상대 습도 계산의 예

Given quantities : t (temperature in ℃) / tp (temperature of dew point in ℃)

주어진 수치 : t (섭씨 온도) / tp (이슬점 온도)

연립 방정식

Ps (포화 수증기 압력) , t (온도)

C1,2,3 (Magnus 계수) , Pstp (이슬점에서의 포화 수증기 압력)

tp (이슬점 온도) , Uw (상대 습도 %)

계산 예)

측정한 기구로부터의 수치 : temperature (온도) = 20.0℃ / dew point (이슬점) = 8.5 ˚Tp.

상대 습도 Uw는 47.43%.

온도와 이슬점에 따른 상대 습도 계산의 예

주어진 수치 : t (섭씨 온도) / Uw (상대 습도 %)

Relative Humidity (상대습도)

saturated water vapour pressure (포화수증기압)

Magnus coefficient from table (Magnus 계수)

partial water vapour pressure (부분 수증기압)

dew point temperature (이슬점 온도)

계산 예)

측정된 수치 : Temperature (온도) = 20.0℃ / Relative Humidity (상대습도) = 50%

상대습도 50%, 20℃에서 이슬점 온도는 9.28℃이다.

포화 염분 용액 (Saturated saline solutions)

염분용액(식염수)는 일정한 기후를 만드는데 사용된다. 수성 포화시킨 용액 위에 대기에서 형성된 둘러싸고 있는 기후는 간단하게 재정리하거나 습도센서를 증명하는 가능성을 제공한다.

포화 염분 용액을 만들 때 증류하거나 이온을 제거한 물에 화학적으로 순수한 소금을 사용하는 것이 중요하다. 더 이상 용해되지 않을 때까지 끓는 물에 소금을 첨가하여 동질의 포화 염분 용액을 준비할 수 있다. 그 후, 원하는 온도로 차갑게 하여 용액을 방치한다.

더 많은 정보를 위해 포화 염분 용액을 함유하고 있는 준비된 습도 참고 셀을 포함한 눈금 키트를 참조한다.

불변 고유 질량 (Constants and characteristic quantities)

몰 가스 불변(Molar gas constant) R = 8314 J / kmol*K

건조 공기에 적용

Weight per litre (중량/리터) D = 1.2928 g/N*d㎥

Mean molar mass (몰질량) M = 28.95 kg/kmol

Gas constant (기체불변) R1 = 287.2 J/kg*K

Mean spec. thermal capacitance (열용량) Cpl = 1006 J/kg*K

수증기에 적용

Weight per litre (중량/리터) D = 0.768 g/N*d㎥

Molar mass (몰질량) M = 18.016 kg/kmol

Gas constant (기체불변) Rd = 461.5 J/kg*K

spec. thermal capacitance (열용량) Cpl = 1860 J/kg*K

IST에서 생산되는 정전 폴리머 습도 센서에 대한 정보

20세기 폴리머 테크놀로지 분야의 발달과 지식으로 인해 우리는 뛰어난 특성을 가진 습도 센서를 생산할 수 있게 되었다. 화학물질과 뜨거운 물에 훌륭한 저항성이 지금까지는 불가능했던 적용분야에 사용되어 센서를 발달시키는 데에 이 지식이 정밀하게 적용되었고 전환되었다. 이러한 정밀한 기구에 온도 순환 스트레스 또는 순간 140℃까지 올라가는 열 충격을 손상 없이 견뎌내기 위하여 기계적으로 강한 디자인을 채택하였다. IST의 습도 센서의 크기가 큰 온도-습도 창은 습도 측정 기술에서 일어나는 많은 문제들을 이상적으로 해결하여 준다.

정전용량 습도센서의 도식표 (Diagrammatic view of capacitive humidity sensors)

IST 습도센서 제품은 상대습도 측정에 특별한 적용 요구를 충족시키기 위한 기술이 집적되어 있는 전형적인 얇은 필름 콘덴서를 위한 증명된 제조 기술을 기본으로 한다. 그 안정된 캐리어 칩에 적용되는 기본 전극은 특별 산화 금속 필름으로 덮여 있다. 그 위에 적용되는 구조 폴리머 층에, 증기가 투과될 수 있는 커버 전극이 있다.

기능 (Function)

정전 용량의 습도센서는 수증기 상태에서 수분을 없앨 수 있다. 성능이 좋아진 기체 센서의 감지능력으로 인해 H2O 분자에 반응한다. 이것은 폴리머 층의 수증기 분자의 축적으로 인해 일어난다. 플라스틱과 비교하였을 때 물의 높은 유전율의 결과, 신호의 전기 용량 변화가 커진다. 전형적인 축전지 모양에서, 이런 경우를 안전히 하기 위해, 반대편 형성 전극의 적어도 하나는 이중 기능을 맡아야 한다.

이것은 전기적 전도성이 있는 전극으로써 기능해야 한다.
이것은 폴리머와 공기사이 물 분자를 가능한 한 자유롭게 운반해야 한다.

폴리머와 공기사이 수증기 교환은 오로지 온도나 기압의 변화가 있을 때 일어난다. 변화가 없다면 그 센서가 적용될 것이고, 전기 용량은 그 주변 공기의 개별 수증기 압력에 일치하게 된다. 다시 말하면, 상대 습도에 전기 용량의 할당이 가능하고 측정값이 얻어질 수 있다.

H. Circuit – 일반적인 적용 회로

진동자 부분 (Oscillator Section). 변동적인 지연시간의 모노플롭 PWM 출력

단점은 마이크로 콘트롤러와 2 포인트의 교정기를 추가함으로써 상당부분 줄일 수 있다.

장점

간단한 작동
가격에 비해 좋은 품질
디지털과 아날로그

단점

온도 보상 없음
주파수 스펙트럼은 센서 사양을 초과할 수도 있음
진동자 회로는 주파수에서 왜곡될 수 있다
5-10%의 정확도 범위

저렴한 작동

진동자 부분 (Oscillator Section). 변동적인 지연시간의 모노플롭 PWM 출력

온도보상 하는 방법은 없다. 센서는 높은 주파수 스펙트럼을 보이고 비선형으로 작용할 것이다.

장점

간단한 작동
저렴함
무선

단점

높은 온도 왜곡
10-20%의 정확

디지털 평가 회로

장점

단순한 작동
저렴한 가격
디지털과 아날로그 방식
통합된 논리회로를 표시함
온도보상
사양에 따라 작동되는 센서
0.5-1% 가능한 정확도

단점

마이크로 컨트롤러는 프로그램화 (NRE 작용) 되어야 함
온도와 습도에 대한 다중교정이 필요하다.