Feuchtesensoren kommen in verschiedenen Anwendungen vor, beispielsweise in der Gebäude- und Klimatechnik, in der Wetter-Telemetrie, aber auch im Bereich der Medizintechnik und Lebensmitteltechnologie. Grundsätzlich unterscheidet man Feuchtesensoren nach dem zugrunde liegenden Messprinzip sowie nach der jeweils gemessenen physikalischen Größe.

In der Feuchtemessung ist die relative Feuchte die am häufigsten bestimmte Messgröße: Sie ist definiert als das Verhältnis von absoluter Feuchte, das heißt diejenige Wassermenge in Gramm, die in einem bestimmten Luftvolumen enthalten ist, zur sogenannten Sättigungsfeuchte - das ist die maximale Wassermenge, die in einem bestimmten Luftvolumen enthalten sein kann. Diese Sättigungsfeuchte entspricht per Definition 100 Prozent relativer Feuchte und ist abhängig von der Temperatur. Eine weitere wichtige Bezugsgröße ist der Taupunkt, der jenen Zustand bezeichnet, bei dem die Sättigung der feuchten Luft erreicht ist. Die in diesem Zustandspunkt vorhandene Temperatur bezeichnet man als Taupunkttemperatur, die wiederum vom Druck abhängig ist.
Kapazitive Sensoren werden häufig für die Bestimmung der relativen Feuchte genutzt, da sie einfach in der Anwendung und weitgehend unempfindlich gegen Umwelteinflüsse sind. Zudem zeichnen sie sich durch eine gute Leistung und Langzeitstabilität aus. Sie bestehen im Prinzip aus zwei metallischen Elektroden (zum Beispiel aus poröser Goldfolie) und einem Feuchte sensitiven Dielektrikum (meist Polymer) dazwischen und stehen heute in stark miniaturisierter Ausführung etwa auf Glaswafern zur Verfügung. Die Feuchte bewirkt dort eine Änderung der dielektrischen Eigenschaften sowie eine auswertbare Kapazitätsänderung. Im einfachsten Fall wandelt man die Kapazitätsänderung über eine Brückenschaltung in eine analoge Gleichspannung um, die gemessen und angezeigt werden kann. Einfacher ist es jedoch, die Feuchtemessung digital auszuwerten. Ein solches System als Single-Chip-Lösung wird im Folgenden beschrieben.

Bis zu acht Signale mit einem IC erfassen und auswerten

Das Unternehmen IS-Line präsentiert mit dem PCap02 ein neues System-on-Chip-IC (IC - Integrated Circuit), das speziell für die kapazitive Feuchtemessung von 0 bis 100 Prozent relativer Feuchte entwickelt wurde. Es basiert auf dem Picocap-Konzept des Herstellers Acam, das im Wesentlichen auf einer hoch präzisen Zeitmessung von definierten Entladezyklen mittels sogenannten Time-to-Digital-Convertern (TDC) beruht. Dies ermöglicht schnelle und genaue Kapazitätsmessungen mit einem sehr weiten Eingangsbereich von einigen fF bis zu mehreren hundert nF.
Da bereits vielfältige Konfigurationsmöglichkeiten auf dem Chip implementiert sind, lassen sich bis zu acht Signale von Klimasensoren für Feuchte, Temperatur und kapazitiven Druck mit einem IC erfassen und auswerten. Für die Temperaturmessung kann der interne Temperatursensor (25 mK Auflösung) oder ein genauerer externer PT1000-Temperatursensor (5 mK Auflösung) verwendet werden. Der integrierte 48-Bit-DSP (Digitaler Signalprozessor) ermöglicht eine schnelle, hochpräzise und sichere Kalibrierung und Linearisierung der Sensor-Signale über einen Temperaturbereich von -40 bis +95 °C sowie diverse häufig benötigte Funktionsberechnungen wie beispielsweise die absolute Feuchte oder den Taupunkt.

Kontinuierliche Feuchtemessung ohne Eigenerwärmung des Systems

Durch die Ultra-Low-Power-Technologie kann eine kontinuierliche Feuchtemessung ohne Eigenerwärmung des Systems im Bereich von einigen Hz bis zu mehreren kHz erfolgen. Der Strombedarf des Systems liegt dabei für eine Messrate von 1.000 Hz bei rund 84 µA und für 1 Hz bei etwa 2,5 µA, wobei die Auflösung 13,1 Bit beträgt. Das IC ist entweder im QFN32-Gehäuse (5 x 5 x 0,9 mm) oder als Die (ohne Gehäuse) verfügbar und ermöglicht so kompakte Schaltungen: Nur zwei Stützkondensatoren à 10 µF und ein Entladekondensator à 33 nF werden zusätzlich benötigt. Ein externer Quarz ist nicht erforderlich.
Das Sensor-Interface verfügt sowohl über digitale (SPI- und I²C-kompatibel) als auch analoge Schnittstellen (16 Bit PDM und PWM) sowie ein internes EEPROM, um Kalibrierdaten und weitere Parameter zu speichern. Für Entwickler wird ein Evaluierungs-Kit angeboten.