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Weiterentwicklung eines kapazitiven Temperatur-Feuchte-Sensors für den überhygroskopischen Feuchtebereich

Huyeng, Tim-Jonathan (2017):
Weiterentwicklung eines kapazitiven Temperatur-Feuchte-Sensors für den überhygroskopischen Feuchtebereich.
TU Darmstadt, [Master Thesis]

Abstract

Zur Einhaltung der Klimaziele, welche durch die Bundesregierung festgelegt wurden, sind Maßnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen im Gebäudesektor erforderlich. Neben einer energieeffizienten Gestaltung von Neubauten können durch Sanierungen von Bestandsgebäuden erhebliche Einsparungen erreicht werden. Zur Untersuchung von Sanierungsmaßnahmen ist es neben Simulationen ebenfalls notwendig praktische Versuche durchzuführen. Hierbei sind insbesondere die Feuchtigkeits- und Temperaturwerte innerhalb des Mauerwerkes zu überwachen. Auf Grundlage der Messergebnisse ist eine Beurteilung von Sanierungsmaßnahmen und deren Einsparpotential im Bezug auf Energieverluste möglich. Für die Erfassung der Feuchtigkeit im Mauerwerk im Rahmen eines Monitorings werden Sensoren benötigt, welche die relative Feuchtigkeit über einen langen Zeitraum möglichst mit einer ausreichend kleinen Messunsicherheit (+/- 2% r. F.) erfassen können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein kapazitiver Feucht- und Temperatursensor ausführlich auf seine Genauigkeit und Streuung sowie Stabilität der Feuchtigkeitsmesswerte im Hochfeuchtebereich untersucht. Der Sensortyp besitzt eine integrierte Digitalisierung der Messwerte, dies verringert eine Vielzahl von Unsicherheiten, welche bei konventionellen Sensoren auftreten. Zudem wird der Sensor von verschiedenen Herstellern und in verschiedenen Messprojekten eingesetzt. Zur Auswertung der Sensordaten wurde ein Aufbau mit einem Mikrocontroller, Datenspeicherung mit Hilfe eines Servers sowie eine Datenvisualisierung über eine Webseite implementiert. Zudem wurden verschiedene Skripte zur Veranschaulichung der Daten sowie zum optimierten Verfahren bei der Kalibrierung entwickelt. Bei Monitoringprojekten werden Sensoren teilweise über mehrere Monate bis hin zu mehreren Jahren sehr hohen Luftfeuchtigkeiten (überhygroskopischer Bereich) ausgesetzt. Der hier untersuchte Sensor verwendet zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit ein kapazitives Verfahren. Beim Verwendung im Hochfeuchtebereich kommt es vermutlich zu einer Veränderung der Materialeigenschaften des Polymers. Hierdurch wird die Genauigkeit der Sensorwerte verringert. Auf Grundlagen der Genauigkeitsuntersuchungen sowie den ermittelten Grundlagen zum Messprinzip wurde eine Weiterentwicklung des Messablaufs durchgeführt. Eine eigens entwickelte Kappe, welche im 3D-Druckverfahren hergestellt wurde, ist mit einer Heizung ausgestattet. Durch den regelmäßigen Betrieb der Heizung konnte die Messunsicherheit der Sensorwerte im Hochfeuchtebereich erheblich verringert werden. Anhand eines praktischen Versuches sind Abweichungen eines unbeheizten Sensors von ca. 6 % r. F. sowie Abweichungeneines beheizten Sensors von ca. 0,6 % r. F. bei einer relativen Feuchtigkeit von 97,5 % festgestellt worden.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2017
Creators: Huyeng, Tim-Jonathan
Title: Weiterentwicklung eines kapazitiven Temperatur-Feuchte-Sensors für den überhygroskopischen Feuchtebereich
Language: German
Abstract:

Zur Einhaltung der Klimaziele, welche durch die Bundesregierung festgelegt wurden, sind Maßnahmen zur Reduktion der CO2-Emissionen im Gebäudesektor erforderlich. Neben einer energieeffizienten Gestaltung von Neubauten können durch Sanierungen von Bestandsgebäuden erhebliche Einsparungen erreicht werden. Zur Untersuchung von Sanierungsmaßnahmen ist es neben Simulationen ebenfalls notwendig praktische Versuche durchzuführen. Hierbei sind insbesondere die Feuchtigkeits- und Temperaturwerte innerhalb des Mauerwerkes zu überwachen. Auf Grundlage der Messergebnisse ist eine Beurteilung von Sanierungsmaßnahmen und deren Einsparpotential im Bezug auf Energieverluste möglich. Für die Erfassung der Feuchtigkeit im Mauerwerk im Rahmen eines Monitorings werden Sensoren benötigt, welche die relative Feuchtigkeit über einen langen Zeitraum möglichst mit einer ausreichend kleinen Messunsicherheit (+/- 2% r. F.) erfassen können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein kapazitiver Feucht- und Temperatursensor ausführlich auf seine Genauigkeit und Streuung sowie Stabilität der Feuchtigkeitsmesswerte im Hochfeuchtebereich untersucht. Der Sensortyp besitzt eine integrierte Digitalisierung der Messwerte, dies verringert eine Vielzahl von Unsicherheiten, welche bei konventionellen Sensoren auftreten. Zudem wird der Sensor von verschiedenen Herstellern und in verschiedenen Messprojekten eingesetzt. Zur Auswertung der Sensordaten wurde ein Aufbau mit einem Mikrocontroller, Datenspeicherung mit Hilfe eines Servers sowie eine Datenvisualisierung über eine Webseite implementiert. Zudem wurden verschiedene Skripte zur Veranschaulichung der Daten sowie zum optimierten Verfahren bei der Kalibrierung entwickelt. Bei Monitoringprojekten werden Sensoren teilweise über mehrere Monate bis hin zu mehreren Jahren sehr hohen Luftfeuchtigkeiten (überhygroskopischer Bereich) ausgesetzt. Der hier untersuchte Sensor verwendet zur Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit ein kapazitives Verfahren. Beim Verwendung im Hochfeuchtebereich kommt es vermutlich zu einer Veränderung der Materialeigenschaften des Polymers. Hierdurch wird die Genauigkeit der Sensorwerte verringert. Auf Grundlagen der Genauigkeitsuntersuchungen sowie den ermittelten Grundlagen zum Messprinzip wurde eine Weiterentwicklung des Messablaufs durchgeführt. Eine eigens entwickelte Kappe, welche im 3D-Druckverfahren hergestellt wurde, ist mit einer Heizung ausgestattet. Durch den regelmäßigen Betrieb der Heizung konnte die Messunsicherheit der Sensorwerte im Hochfeuchtebereich erheblich verringert werden. Anhand eines praktischen Versuches sind Abweichungen eines unbeheizten Sensors von ca. 6 % r. F. sowie Abweichungeneines beheizten Sensors von ca. 0,6 % r. F. bei einer relativen Feuchtigkeit von 97,5 % festgestellt worden.

Uncontrolled Keywords: Kapazitiver Temperatur-Feuchte-Sensor, Mauerwerk, Monitoring, Sanierungsmaßnahmen, überhygroskopischer Feuchtebereich
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Numerical Methods and Informatics in Civil Engineering
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
Date Deposited: 06 Feb 2018 09:10
Additional Information:

Betreuer: Steffen Franz

Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 29 January 2018
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
To comply with the climate goals set by the federal government, measures in the building sector are needed to reduce CO2-emissions. In addition to energy-efficient design of new buildings, considerable reductions can be achieved by rehabilitation of existing buildings. In addition to simulations, it is also necessary to carry out practical experiments to investigate reconstruction measures. In particular, the moisture and temperature values within the masonry need to be monitored. Based on the measurement results, an assessment of reconstruction measures and their potential reductions of energy losses is possible. For the detection of moisture in masonry as part of a monitoring project, sensors are needed that can detect the relative humidity over a long period of time with a sufficiently small measurement uncertainty (2 % rh). In this work a capacitive humidity and temperature sensor is extensively studied for its accuracy, dispersion and stability of humidity readings in the high humidity range. This type of sensor is used by various manufacturers and in various measurement projects. To evaluate the sensor data a setup with a microcontroller, data storage (server) as well as a data visualization via a website was implemented. In addition, several scripts have been developed to illustrate the data and to optimize the calibration procedure. In monitoring projects, sensors are sometimes exposed to very high humidities (over hygroscopic area) for several months to several years. The sensor, which has been evaluated in this work, uses a capacitive method to determine the relative humidity. When used in the high humidity range, it is likely that the material properties of the polymer change. This reduces the accuracy of the sensor values. Based on the accuracy investigation and the determined principles of measuring, an improvement of the measuring procedure has been accomplished. A specially developed cap, which was produced in a 3D printing process, is equipped with a heater. Due to the regular operation of the heater, the measurement uncertainty of the sensor values in the high humidity range has been significantly reduced. With a practical experiment, deviation of an unheated sensor of approx. 6 % rh and deviations of a heated sensor of approx. 0.6 % rh. at a relative humidity of 97.5 % have been detected.English
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