سنسورهای رطوبت، میزان رطوبت موجود در هوا یا یک ماده را شناسایی و اندازه گیری میکنند و معمولاً در سیستم‌های HVAC و ذخیره سازی مواد غذایی استفاده می‌شوند.
رطوبت به مقدار نم یا بخار آب موجود در هوا یا یک محیط اشاره دارد و نقش مهمی در زندگی روزمره ما و محیط اطراف ما دارد.
سنسور رطوبت که به عنوان رطوبت سنج نیز شناخته میشود، سنسوری است که برای اندازه گیری و نظارت بر میزان یا سطح رطوبت در یک محیط استفاده میشود. این سنسورها داده‌های ارزشمندی را برای کاربردهای مختلف، مانند نظارت بر آب و هوا، سیستم‌های HVAC، کنترل گلخانه، فرآیندهای صنعتی و مدیریت کیفیت هوای داخلی فراهم میکنند.
انواع سنسورهای رطوبت و نحوه کار آنها
سنسورهای رطوبتی انواع مختلفی دارند، از جمله سنسورهای خازنی، مقاومتی و هدایت حرارتی که در ادامه با هر یک از آنها بیشتر آشنا خواهیم شد:
سنسورهای رطوبتی خازنی
این سنسورها تغییرات ناشی از جذب رطوبت در ثابت دی الکتریک یک ماده حسگر را اندازه گیری میکنند. سطح رطوبت بر ظرفیت خازنی سنسور تأثیر می‌گذارد.
این سنسورها با استفاده از ظرفیت خازنی، که توانایی یک ماده برای ذخیره بار الکتریکی است، کار میکنند و از یک عنصر حسی که از یک ماده جاذب رطوبت ساخته شده(معمولاً یک پلیمر یا اکسید فلز) و دو الکترود تشکیل شده‌اند.
با اعمال ولتاژ، خازن یک میدان الکتریکی بین دو صفحه رسانا ایجاد میکند.
ظرفیت خازن (C) به معنای توانایی یک خازن برای ذخیره شارژ الکتریکی (بسته به ولتاژ) است. ظرفیت خازن در واقع، اثر ترکیب مساحت همپوشانی (A) روی دو صفحه (بر حسب متر مربع)، «d» فاصله بین صفحات (بر حسب متر) و «ɛ» گذردهی نسبی (معروف به ثابت دی الکتریک) میباشد.
ظرفیت خازنی (C) را می‌توان از طریق فرمول زیر محاسبه کرد:
هنگامی که رطوبت تغییر میکند، عنصر حسگر رطوبت را جذب یا آزاد میکند که به نوبه خود بر خواص دی الکتریک آن تأثیر می‌گذارد. با تغییر خواص دی الکتریک، ظرفیت حسگر نیز تغییر میکند. با اندازه گیری این تغییر در ظرفیت، سنسور میتواند رطوبت نسبی محیط اطراف را تعیین کند.
سنسورهای خازنی رطوبت به دلیل مزایای خوبی که دارند از جمله درستی بالا، زمان پاسخ سریع، محدوده اندازه گیری وسیع و توان مصرفی کم، محبوب هستند. آنها معمولاً در کاربردهای مختلفی از جمله ایستگاه‌های هواشناسی، سیستم‌های HVAC، فرآیندهای صنعتی، کشاورزی و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می‌شوند.
سنسورهای خازنی رطوبت ممکن است برای حفظ درستی خود در طول زمان نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای داشته باشند. علاوه بر این، آنها ممکن است تحت تأثیر آلاینده‌هایی مانند گرد و غبار یا مواد شیمیایی قرار گیرند که ممکن است عملکرد آنها را مختل کند. از همین رو برای اطمینان از قابل اعتماد بودن داده‌های به دست آمده از سنسور، توصیه میشود به طور منظم به سنسور رسیدگی شود.
مزایا و معایب سنسورهای رطوبت خازنی:
سنسورهای رطوبت خازنی، مزایا و معایب مختلفی دارند، که در اینجا به طور مختصر با برخی از آنها آشنا می‌شویم:
مزایا:
1. درستی بالا: سنسورهای خازنی رطوبت میتوانند رطوبت نسبی را به طور دقیق و درست اندازه‌گیری کنند. آنها حتی به تغییرات کوچک در میزان رطوبت نیز حساس هستند.
2. زمان پاسخ سریع: این سنسورها دارای زمان پاسخ سریعی هستند که امکان نظارت و کنترل سطوح رطوبت در هر لحظه را فراهم میکند.
3. توان مصرفی کم: سنسورهای رطوبت خازنی برای کار کردن به انرژی کمی نیاز دارند، که آنها را برای استفاده در مواردی که تغذیه با باتری فراهم میشود یا محیط‌هایی که برق کمی در دسترس است، مناسب میکند.
4. محدوده اندازه گیری گسترده: این سنسورها میتوانند طیف وسیعی از سطوح رطوبت را اندازه‌گیری کنند (معمولاً از 0٪ تا 100٪ رطوبت نسبی).
معایب:
1. حساسیت به آلاینده‌ها: سنسورهای رطوبت خازنی ممکن است تحت تأثیر آلاینده‌هایی مانند گرد و غبار، چربی‌ها و ذرات دیگر قرار گیرند. این آلاینده‌ها میتوانند به سطح سنسور بچسبند و در دقت آن اختلال ایجاد کنند.
2. محدوده دمای کاری محدود: برخی از سنسورهای رطوبت خازنی در شرایط دمایی شدید محدودیت‌هایی دارند. دمای بالا یا پایین خارج از محدوده عملیاتی مشخص شده میتواند بر عملکرد آنها تأثیر بگذارد.
3. نیاز به کالیبراسیون: برای حفظ درستی سنسور، سنسورهای رطوبت خازنی اغلب به کالیبراسیون دوره‌ای نیاز دارند.
4. هزینه بالاتر: در مقایسه با انواع دیگر سنسورهای رطوبت، سنسورهای رطوبت خازنی گرانتر هستند. با این حال، درستی و عملکرد خوب آنها، در بسیاری از موارد قیمتشان را توجیه میکند.
سنسورهای رطوبت مقاومتی
سنسورهای رطوبت مقاومتی که به عنوان رطوبت سنج‌های مقاومتی (سنسورهای RH) نیز شناخته می‌شوند، المان‌های الکترونیکی هستند که رطوبت نسبی را بر اساس تغییرات مقاومت الکتریکی اندازه گیری میکنند. این سنسورها از مواد حساس به رطوبت مانند پلیمر یا مواد سرامیکی یا نمکی تشکیل شده‌اند که در پاسخ به تغییرات رطوبت، رسانایی (مقاومت الکتریکی) آنها نیز تغییر میکند. سپس با اندازه‌گیری این تغییر مقاومت میزان رطوبت تعیین می‌گردد.
سنسورهای رطوبت مقاومتی ارزان هستند اما ممکن است در مقایسه با سنسورهای خازنی زمان پاسخ آرام‌تر و درستی کمتری داشته باشند.
اصل کار سنسورهای رطوبت مقاومتی بر این واقعیت استوار است که رسانایی در رساناهای غیرفلزی به میزان آب آنها بستگی دارد.
سنسور رطوبت مقاومتی معمولاً از موادی با مقاومت نسبتاً کم ساخته میشود و این مقاومت با تغییر رطوبت به طور قابل توجهی تغییر میکند. رابطه بین مقاومت و رطوبت به صورت نمایی معکوس میباشد.
هنگامی که رطوبت افزایش می‌یابد، ماده حساس به رطوبت، رطوبت را جذب کرده و باعث متورم شدن و افزایش رسانایی آن میشود. برعکس، با کاهش رطوبت، ماده رطوبت خود را از دست می‌دهد و رسانایی آن کاهش می‌یابد. با اندازه گیری مقاومت سنسور، می‌توان رطوبت نسبی محیط اطراف را تعیین کرد.
سنسورهای رطوبت مقاومتی محکم، نسبتا ارزان وساده هستند. آنها معمولاً در کاربردهای صنعتی و مصرفی مانند سیستم‌های HVAC، انکوباتورها، سیستم‌های خودرو و نظارت بر آب و هوا استفاده می‌شوند.
با این حال، در مقایسه با سنسورهای رطوبت خازنی، معمولا درستی کمتر و زمان پاسخ طولانی‌تری دارند. علاوه بر این، سنسورهای رطوبت مقاومتی ممکن است دچار هیسترزیس شوند، به این معنی که خوانش آنها ممکن است بسته به افزایش یا کاهش رطوبت متفاوت باشد.
مزایا و معایب سنسورهای رطوبت مقاومتی:
سنسورهای رطوبت مقاومتی نیز همانند سنسورهای رطوبتی خازنی دارای مزایا و معایب خاص خود هستند که در اینجا به اختصار با آنها آشنا خواهیم شد:
مزایا:
1. مقرون به صرفه: سنسورهای رطوبت مقاومتی عموماً مقرون به صرفه تر از سایر انواع سنسورهای رطوبت هستند.
2. طراحی ساده: این سنسورها طراحی نسبتاً ساده ای دارند که ساخت و ادغام آنها در سیستم‌های الکترونیکی مختلف را آسان میکند.
3. محدوده کاری گسترده: سنسورهای رطوبت مقاومتی میتوانند به طور موثر در طیف وسیعی از سطوح رطوبت، معمولاً از 0٪ تا 100٪ رطوبت نسبی، کار کنند.
4. پایداری طولانی مدت: آنها پایداری طولانی مدت خوبی از خود نشان می دهند، به این معنی که درستی خود را در مدت طولانی بدون نیاز به کالیبراسیون مجدد حفظ میکنند.
5. توان مصرفی پایین: سنسورهای رطوبت مقاومتی معمولاً توان مصرفی پائینی دارند و میتوانند با باتری تغذیه شوند.
معایب
1. درستی کمتر: در مقایسه با انواع دیگر سنسورهای رطوبت، سنسورهای رطوبت مقاومتی درستی کمتری دارند. آنها ممکن است خطاهای اندازه گیری بزرگتر و رزولوشن کمتری داشته باشند، به خصوص در سطوح رطوبت شدید.
2. زمان پاسخ طولانی: این سنسورها عموماً در مقایسه با سنسورهای رطوبت خازنی یا نوری، زمان پاسخ آهسته‌تر و طولانی‌تری دارند. به همین دلیل ممکن است مدتت زمان بیشتری طول بکشد تا بتوانند دیتاهای درست در اختیار کاربر قرار دهند، که میتواند در برخی از موارد که به کنترل و نظارت لحظه‌ایی رطوبت نیاز است، یک نقطه ضعف باشد.
3. مستعد تداخل: سنسورهای رطوبت مقاومتی به تداخل آلاینده‌هایی مانند گرد و غبار، چربی و… حساس هستند. این آلاینده‌ها میتوانند بر درستی اندازه‌گیری‌های سنسور تأثیر بگذارند.
4. وابستگی به دما: مقاومت سنسورهای رطوبت مقاومتی میتواند تحت تاثیر تغییرات دمایی قرارگیرد. از همین رو در نظر گرفتن تغییرات دما هنگام استفاده از این سنسورها برای اطمینان از درستی اندازه‌گیری‌ها امری ضروری است.
با وجود این محدودیت‌ها، سنسورهای رطوبت مقاومتی همچنان میتوانند برای بسیاری از کاربردهایی که دقت بالا و زمان پاسخ سریع از الزامات حیاتی آنها نیستند یا زمانی که مقرون به صرفه بودن سنسور در اولویت است، مناسب باشند.
سنسورهای رطوبت رسانای حرارتی (Thermal conductivity humidity)
این سنسورها شامل دو عنصر حساس به دما هستند – یکی در معرض هوای محیط و دیگری در یک مرجع دمای ثابت نگه داشته میشود. جذب رطوبت بر رسانایی حرارتی بین دو عنصر تأثیر می‌گذارد و سبب میشود سنسور بتواند میزان رطوبت را اندازه گیری کند. سنسورهای رسانای حرارتی قابل اعتماد هستند و پایداری طولانی مدت عالی دارند اما میتوانند هزینه‌بر تر باشند.
در ساختار این سنسورها از دو ترمیستور NTC استفاده شده است. یکی از ترمیستورها در محفظه‌ای قرار می‌گیرد که از طریق یک سری سوراخ‌های تهویه در معرض هوا قرار می‌گیرد. ترمیستور دوم در یک محفظه متفاوت در حسگر در نیتروژن خشک قرار می‌گیرد به طوریکه هوا از آن محفظه عبور نکند.
یک مدار پل الکتریکی جریان را به ترمیستورها منتقل میکند و ترمیستورها شروع به گرم شدن میکنند. از آنجایی که یکی از ترمیستورها در معرض رطوبت هوا قرار دارد، هر کدام از این ترمیستورها مقاومت متفاوتی نشان خواهند داد.
در نهایت می‌توان این تفاوت مقاومت دو ترمیستور که با رطوبت مطلق نسبت مستقیم دارد را اندازه‌گیری کرد.
سنسورهای رطوبت رسانای حرارتی دارای مزایایی از قبیل درستی بالا، زمان پاسخ سریع و مصرف انرژی کم هستند. آنها به طور گسترده در کاربردهای مختلف از جمله کنترل هوای محیط‌های سربسته، فرآیندهای صنعتی، ایستگاه‌های هواشناسی و تحقیقات علمی استفاده می‌شوند. با این حال، این سنسورها ممکن است در مقایسه با سنسورهای رطوبت مقاومتی گران تر باشند.
مزایا و معایب سنسورهای رطوبت رسانای حرارتی:
مزایا:
1. محدوده کاری گسترده: سنسورهای رطوبت رسانای حرارتی میتوانند رطوبت را در محدوده وسیعی به طور دقیق اندازه گیری کنند (معمولاً از 0٪ تا 100٪ رطوبت نسبی). این ویژگی باعث میشود که این سنسورها برای کاربردهای مختلف با سطوح رطوبت مختلف مناسب باشند.
2. کم هزینه: در مقایسه با انواع دیگر سنسورهای رطوبت، سنسورهای رسانای حرارتی نسبتاً ارزان هستند. این مقرون به صرفه بودن آنها را به یک انتخاب خوب برای پروژه‌هایی با محدودیت بودجه، تبدیل میکند.
3. عدم حساسیت به آلاینده‌ها: سنسورهای رسانای حرارتی به راحتی تحت تأثیر آلاینده‌هایی مانند گرد و غبار، چربی‌ها یا ذرات دیگر قرار نمی‌گیرند. آنها میتوانند درستی خود را حتی در محیط‌های چالش برانگیز حفظ کنند.
4. پایداری طولانی مدت خوب: سنسورهای رطوبت رسانایی حرارتی پایداری طولانی مدت عالی دارند. آنها کمتر مستعد رانش یا فرسودگی در گذر زمان هستند و رطوبت را به طور پایدار و قابل اعتماد در مدت زمان طولانی اندازه‌گیری میکنند.
معایب:
1. دقت کمتر: در مقایسه با انواع دیگر سنسورهای رطوبت، سنسورهای هدایت حرارتی ممکن است دقت کمی در اندازه گیری رطوبت داشته باشند. دقت این سنسورها میتواند تحت تأثیر عواملی مانند تغییرات دما و… قرارگیرد.
2. زمان پاسخ آهسته تر: این سنسورها معمولاً در مقایسه با سنسورهای رطوبت خازنی، زمان پاسخ آهسته‌تری دارند. تطبیق آنها با تغییرات سریع در سطوح رطوبت ممکن است بیشتر طول بکشد و برای کاربردهایی که نیاز به پاسخ فوری دارند مناسب نیستند.
3. حساسیت به دما: سنسورهای رطوبت رسانایی حرارتی ممکن است تحت تأثیر نوسانات دما قرار گیرند. تغییرات دما میتواند بر دقت آنها تأثیر بگذارد و ممکن است به اجرای تکنیک‌های جبران سازی یا اقدامات مناسب جهت کنترل دما نیاز باشد.
4. اندازه حجیم تر: سنسورهای هدایت حرارتی میتوانند از نظر فیزیکی بزرگتر و حجیم تر از برخی دیگر از انواع سنسورهای رطوبت باشند. این فاکتور اندازه ممکن است استفاده از آنها را در پروژه‌هایی که در آنها محدودیت فضا و یا مینیاتورسازی مطرح است، محدود کند.
سنسورهای رطوبت رسانای حرارتی معمولاً در صنایع مختلف از جمله سیستم‌های HVAC، کنترل فرآیند صنعتی و نظارت بر محیط استفاده می‌شوند. مقرون به صرفه بودن، پایداری و مقاومت آنها در برابر آلاینده‌ها آنها را به انتخابی مطمئن برای بسیاری از کاربردها تبدیل میکند.