سنسور رطوبت – انواع و اصول عملکرد
فهرست مطالب
نمایش
مقدمه
سنسور رطوبت یکی از مهم ترین تجهیزاتی است که به طور گسترده در کاربردهای صنعتی، زیست پزشکی و محیطی برای اندازه گیری و پایش رطوبت مورد استفاده قرار گرفته است. سنسورهای رطوبت می توانند در حالت هایی می توانند دما را اندازه گیری کنند که در این موارد به آن ها سنسور دما و رطوبت گفته می شود.
رطوبت به صورت مقدار آب موجود در هوای اطراف تعریف می شود. رطوبت موجود در هوا یک عامل کلیدی در احساس راحتی انسان ها است. به عنوان مثال، حتی اگر دمای صفر درجه سانتیگراد با رطوبت کمتر یعنی هوا خشک باشد، احساس راحتی می کنیم.
اما اگر درجه حرارت 100 درجه سانتیگراد و رطوبت زیاد باشد یعنی میزان آب هوا زیاد باشد، احساس ناراحتی خواهیم کرد. رطوبت همچنین عامل اصلی برای کارکرد تجهیزات حساس مانند ادوات الکترونیک، تجهیزات صنعتی، دستگاه های حساس و دستگاه های ولتاژ بالا است. چنین تجهیزات حساسی باید در محیطی با رطوبت مناسب کار کنند.
کاربردهای سنسور رطوبت
خانگی: سنجش و کنترل رطوبت در منازل و ادارات مهم است زیرا شرایط رطوبت بر جریان خون تأثیر می گذارد.
صنعتی: در صنایعی مانند پالایشگاه ها، صنایع شیمیایی، فلزی یا سایر صنایعی که از کوره استفاده می شود، رطوبت بالا باعث کاهش میزان اکسیژن هوا و در نتیجه کاهش سرعت پخت می شود. سایر صنایع مانند فرآوری مواد غذایی، نساجی، کاغذ نیز به کنترل رطوبت نیاز دارند.
کشاورزی: روشهای آبیاری مانند آبیاری قطرهای نیاز به کنترل دقیق رطوبت برای گیاهان دارند. همچنین رطوبت موجود در خاک نقش مهمی در رشد مناسب گیاه دارد.
الکترونیک و نیمه هادی ها: تقریباً همه دستگاه های الکترونیکی برای کارکرد صحیح در طیف وسیعی از مقادیر رطوبت، رتبه بندی می شوند. به طور کلی، این مقدار چیزی حدود 10٪ – 50٪ رطوبت خواهد بود.
پزشکی: تجهیزات پزشکی مانند ونتیلاتور، انکوباتور، استریل کننده نیاز به کنترل رطوبت دارند. همچنین در گیاهان دارویی و فرآیندهای بیولوژیکی کنترل رطوبت امری اجتناب ناپذیر است.
تمام موارد ذکر شده و بسیاری از کاربردهای دیگر نیاز به سنجش رطوبت دارند که این امر با استفاده از سنسورهای رطوبت قابل انجام است. قبل از بحث در مورد سنسورهای رطوبت، انواع و اصول عملکرد آن ها، ابتدا چند اصطلاح و تعاریف مهم مربوط به رطوبت را بررسی کنیم.
فاکتورهای مهم مرتبط با رطوبت
نم (Moisture): به طور کلی اصطلاح Moisture به معنای محتوای آب هر ماده است. در عمل اصطلاح Moisture به محتوای آب در جامدات و مایعات اشاره دارد. اصطلاح رطوبت (Humidity) به محتوای آب در گازها (هوا) اشاره دارد.
رطوبت مطلق (Absolute Humidity): رطوبت مطلق (AH) نسبت جرم بخار آب به حجم هوا است. اگر m جرم بخار آب و V حجم کل، یعنی حجم مخلوط هوا و بخار آب باشد، رطوبت مطلق AH به صورت m تقسیم بر V تعریف می شود. رطوبت مطلق دما را در نظر نمی گیرد اما با تغییر دما و فشار تغییر می کند.
رطوبت نسبی (Relative Humidity): هر زمان که در مورد اندازه گیری رطوبت صحبت می کنیم، معمولاً در مورد رطوبت نسبی صحبت می کنیم (مگر اینکه خلاف آن مشخص شده باشد). رطوبت نسبی یا RH نسبت مقدار بخار آب واقعی موجود در هوا در یک دما به حداکثر مقدار بخار آب موجود در هوا در همان دما است.
در گزارشها و پیشبینیهای هواشناسی، احتمال بارش یا شبنم یا مه با استفاده از رطوبت نسبی نشان داده میشود و از این رو، یک معیار مهم در نظر گرفته میشود.
رطوبت نسبی هم دما و هم فشار را در نظر می گیرد. از این رو، سنسورهای رطوبت که رطوبت نسبی را اندازه گیری می کنند، هم میزان رطوبت و هم دمای هوا را اندازه گیری می کنند. سنسور دما و رطوبت MAC-DTH1 شرکت فراروپایا یک سنسور رطوبت سنج نسبی دیجیتال با خروجی مدباس است.
رطوبت ویژه (Specific Humidity): رطوبت ویژه (SH) نسبت جرم بخار آب به جرم کل هوا است.
نسبت اختلاط یا نسبت رطوبت (Mixing Ratio or Humidity Ratio): نسبت اختلاط نسبت جرم بخار آب به جرم هوای خشک است.
دمای نقطه شبنم (Dew Point Temperature): دمای نقطه شبنم دمایی است که با بخار آب موجود در هوا اشباع شده است. در دمای نقطه شبنم، رطوبت نسبی RH 100٪ است. به عبارت دیگر، برای اینکه هوا حداکثر مقدار بخار آب (یا رطوبت) را در خود نگه دارد، باید به دمای نقطه شبنم برسد.
انواع سنسور رطوبت
سنسورهای رطوبت تجهیزات بسیار مهمی هستند که به اندازه گیری رطوبت محیط کمک می کنند. از نظر فنی تجهیزی که برای اندازه گیری رطوبت جو استفاده می شود رطوبت سنج نامیده می شود. سنسورهای رطوبت یا رطوبت سنج ها را می توان بر اساس نوع رطوبتی که برای اندازه گیری استفاده می شود طبقه بندی کرد.
- سنسورهای رطوبت مطلق (AH)
- سنسورهای رطوبت نسبی (RH)
از دیگر سو، سنسورهای رطوبت را میتوان بر اساس پارامتری که برای اندازهگیری رطوبت استفاده میشود به دسته های زیر طبقه بندی کرد:
- سنسورهای رطوبت خازنی (Capacitive Humidity Sensors)
- سنسورهای رطوبت مقاومتی (Resistive Humidity Sensors)
- سنسورهای رطوبت رسانای حرارتی (Thermal Conductivity Humidity Sensors)
همچنین انواع دیگری از سنسورها یا رطوبت سنج ها مانند رطوبت سنج نوری، رطوبت سنج نوسانی و رطوبت سنج ثقلی وجود دارد.
اجازه دهید به بررسی انواع مختلف سنسورهای رطوبت یا رطوبت سنج به همراه اصول عملکرد هر یک بپردازیم.
سنسور رطوبت خازنی
سنسورهای رطوبت خازنی یکی از انواع اصلی سنسورهای رطوبت موجود هستند. این سنسورها اغلب در کاربردهایی استفاده می شوند که عواملی مانند هزینه، سختی و اندازه مورد توجه هستند. در سنسورهای رطوبت نسبی خازنی (RH)، گذردهی الکتریکی مواد دی الکتریک، با تغییر رطوبت تغییر می کند.
عملکرد سنسور RH خازنی
یک سنسور RH خازنی ساده می تواند از یک خازن پر از هوا ساخته شود زیرا رطوبت موجود در جو، گذردهی الکتریکی آن را تغییر می دهد. اما برای کاربردهای عملی، استفاده از هوا به عنوان دی الکتریک امکان پذیر نیست.
از این رو، فضای بین صفحات خازن معمولاً با یک ماده دی الکتریک مناسب پر می شود که ثابت دی الکتریک آن زمانی که در معرض تغییر رطوبت قرار می گیرد، تغییر می کند.
روش متداول ساخت سنسور رطوبت RH خازنی استفاده از یک فیلم پلیمری رطوبت سنج، به عنوان دی الکتریک و قرار دادن دو لایه الکترود در دو طرف آن است.
روش دیگر برای استفاده از سنسورهای خازنی RH، بررسی تغییرات فرکانس نوسان ساز ساخته شده با استفاده از خازن متغیر ایجاد شده است. از این ساختار غالبا در محصولات دارویی استفاده می شود.
نمونه های آزمایشگاهی مانند قرص های پزشکی بین دو صفحه قرار می گیرند تا یک خازن در مدار نوسان ساز LC را تشکیل دهند. در این ساختار فرکانس نوسانگر وابسته به رطوبت اطراف نمونه آزمایشگاهی است. تغییرات در رطوبت منجر به تغییر در مقدار ظرفیت خازنی و نتیجتا تغییر در فرکانس نوسان ساز می شود.
مزایای سنسور رطوبت خازنی
- ولتاژ خروجی تقریباً خطی است.
- سنسورهای رطوبت خازنی نتایج پایداری را در استفاده طولانی مدت ارائه می دهند.
- طیف تشخیصی بالایی دارند.
معایب سنسور رطوبت خازنی
- فاصله از سنسور و مدار سیگنالینگ بسیار محدود است.
کاربرد سنسور رطوبت خازنی
سنسورهای رطوبت خازنی در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شود، از جمله:
- سیستم های HVAC
- پرینترها و دستگاه های فکس
- ایستگاه های هواشناسی
- اتومبیل ها
- فرآوری مواد غذایی
- یخچال، فر و خشک کن ها
سنسور رطوبت مقاومتی
سنسورهای رطوبت مقاومتی نوع مهم دیگری از سنسورهای رطوبت هستند که مقاومت (امپدانس) یا هدایت الکتریکی را اندازه گیری می کنند. اصول عملکرد سنسورهای رطوبت مقاومتی در تغییر مقدار مقاومت سنسور در اثر تغییرات رطوبت است.
عملکرد سنسور رطوبت مقاومتی
سنسور رطوبت مقاومتی معمولاً از موادی با مقاومت نسبتاً کم ساخته می شود و این مقاومت با تغییر رطوبت به طور قابل توجهی تغییر می کند. رابطه بین مقاومت و رطوبت به صورت معکوس نمایی است. مواد با مقاومت کم در بالای دو الکترود قرار می گیرند.
مقاومت بین الکترودها زمانی تغییر می کند که لایه بالایی آب را جذب کند و این تغییر را می توان با کمک یک مدار الکتریکی ساده اندازه گیری کرد.
برخی از مواد متداول مورد استفاده عبارتند از نمک، پلی الکترولیت های جامد و پلیمرهای رسانا. سنسورهای رطوبت مقاومتی مدرن با مواد سرامیکی پوشانده شده اند تا محافظت بیشتری را ارائه دهند. الکترودهای سنسور معمولا از فلزات نجیب مانند طلا، نقره یا پلاتین ساخته شده اند.
مزایای سنسور رطوبت مقاومتی
- کم هزینه
- اندازه کوچک
- فاصله بین سنسور و مدار سیگنال می تواند زیاد باشد (مناسب برای عملیات از راه دور)
معایب سنسور رطوبت مقاومتی
- سنسورهای رطوبت مقاومتی به بخارات شیمیایی و سایر آلاینده ها حساس هستند.
- در صورت استفاده با محصولات محلول در آب، قرائت خروجی ممکن است تغییر کند.
کاربرد سنسور رطوبت مقاومتی
سنسورهای رطوبت مقاومتی سنسورهای کم هزینه با اندازه نسبتا کوچک هستند. آنها اغلب در کاربرد های صنعتی، خانگی یا مسکونی و تجاری استفاده می شوند.
سنسور رطوبت رسانای حرارتی
سنسورهای رطوبت رسانایی حرارتی همچنین به عنوان سنسورهای رطوبت مطلق (AH) شناخته می شوند زیرا رطوبت مطلق را اندازه گیری می کنند. سنسورهای رطوبت رسانایی حرارتی رسانایی حرارتی هوای خشک و هوای بخار آب را اندازه گیری می کنند. تفاوت بین رسانایی حرارتی فردی می تواند مربوط به رطوبت مطلق باشد.
عملکرد سنسور رطوبت رسانای حرارتی
بهترین گزینه برای پیاده سازی سنسور رطوبت مبتنی بر هدایت حرارتی، ترمیستور است. از این رو، از دو ترمیستور کوچک با ضریب دمایی منفی (NTC) در ساختار این رطوبت سنج استفاده شده است.
در این سنسور، یک ترمیستور در محفظه ای پر از نیتروژن خشک قرار گرفته است؛ در حالی که ترمیستور دوم از طریق روزنه های کوچک در معرض محیط باز قرار می گیرد. با روشن شدن مدار، مقاومت دو ترمیستور محاسبه می شود که تفاوت بین این دو مقدار با رطوبت مطلق (AH) نسبت مستقیم دارد.
مزایای سنسور رطوبت رسانای حرارتی
- مناسب برای محیط های با دمای بالا و شرایط خورندگی بالا.
- بسیار بادوام
- وضوح بالاتر در مقایسه با انواع دیگر
معایب سنسور رطوبت رسانایی حرارتی
- قرار گرفتن در معرض هر گاز با خواص حرارتی متفاوت از نیتروژن ممکن است بر اندازهگیری اثر بگذارد.
کاربرد سنسور رطوبت رسانایی حرارتی
برخی از کاربردهای رایج سنسورهای رطوبت رسانایی حرارتی عبارتند از:
- کوره های خشک کن
- گیاهان دارویی
- خشک کن لباس و ماشین خشک کن
- دی هیدراته کردن مواد غذایی
نکات مهم هنگام خرید سنسور رطوبت
موارد زیر برخی از فاکتورهایی است که هنگام خرید سنسور رطوبت باید در نظر گرفته شود
- دقت سنسور
- کالیبراسیون – الزامات و روش ها
- اندازه سنسور
- هزینه سنسور و هزینه تعویض
- پیچیدگی مدار
- مقاومت در برابر آلودگی
- قابلیت اطمینان سنسور
پس از آشنایی با اصول عملکرد انواع سنسورهای رطوبت می توانید انتخاب آگاهانه تری داشته باشید. از این منظر اگر تصمیم به خرید سنسورهای اندازه گیری دما یا اندازه گیری همزمان دما و رطوبت داشتید روی لینک های زیر کلیک کنید.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.