سنسور رطوبت یا رطوبت سنج، رطوبت و دمای هوا را حس و اندازه‌گیری می‌کند
سنسور رطوبت یکی از مهم‌ترین ابزاری است که برای مصرف کننده، مصارف صنعتی، زیست‌پزشکی، محیط‌زیست و غیره کاربردهای گسترده‌ای برای اندازه‌گیری و نظارت بر رطوبت دارد.
رطوبت چیست؟
رطوبت را می‌توان میزان آب موجود در هوای اطراف تعریف کرد. محتوای آب موجود در هوا عامل کلیدی در زندگی بشر تلقی می‌شود؛ مثلا، حتی اگر دمای هوا برابر با صفر درجه سانتی‌گراد همراه با رطوبت کم (به عبارت دیگر هوای خشک) باشد، احساس راحتی می‌کنیم. اما اگر دمای هوا 100 درجه سانتی‌گراد باشد و رطوبت هم بالا باشد (میزان آب موجود در هوا زیاد باشد)، احساس ناراحتی خواهیم کرد.
همچنین رطوبت عامل مهمی در کارکرد دستگاه‌های حساسی همچون دستگاه‌های الکترونیکی، صنعتی، حساس به الکترواستاتیک، ولتاژ بالا و غیره می‌باشد. چنین دستگاه‌هایی باید در محیطی کار کنند که رطوبت مناسب با آن دستگاه در هوای اطراف وجود داشته باشد.
پس فهمیدن میزان، اندازه‌گیری، نظارت و کنترل رطوبت کار بسیار مهمی است
اهمیت رطوبت در زمینه های مختلف
برخی از کاربردهای مهم در حوزه فهمیدن میزان، اندازه‌گیری و نظارت رطوبت در ذیل آورده شده‌اند.
- خانگی: فهمیدن میزان و نظارت بر رطوبت در خانه‌ها و ادارات مهم است. زیرا شرایط رطوبت بالا بر جریان خون تاثیر خواهد داشت. از دیگر اماکن می‌توان بر آشپزخانه، مزارع گلخانه‌ای و غیره اشاره کرد.
- صنعتی: در صنایعی همچون تصفیه‌خانه‌ها، شیمیایی، فلزی یا دیگر صنایع که از کوره استفاده می‌کنند، رطوبت بالا موجب کاهش اکسیژن هوا و به طبع آن کاهش نرخ آتش خواهد شد. دیگر صنایع همچون تولید غذا، پارچه، کاغذ و غیره نیز به کنترل رطوبت نیاز دارند.
- کشاورزی: تکنیک‌های آبیاری همچون آبیاری قطره‌ای به رطوبت دقیق گیاهان نیاز دارند. همچنین، رطوبت موجود در خاک نقش مهمی در رشد مناسب گیاه دارد. یکی دیگر از جاهایی که به کنترل رطوبت نیاز دارد رشد گیاهان گلخانه‌ای است.
- الکترونیک و نیمه‌هادی: تقریبا تمام وسایل الکترونیکی در محدوده‌ای از میزان رطوبت کارایی دارند. عموما، میزان رطوبت بین 10 تا 50 درصد متغیر است. در کارخانه تولید قطعات نیمه‌هادی، باید میزان مشخصی از رطوبت و دما در محیط وجود داشته باشد زیرا یک تفاوت کوچک در دما و رطوبت می‌تواند اثر بسیار زیادی در محصول تولید شده داشته باشد.
- پزشکی: ابزار پزشکی همچون دستگاه‌های تنفس، اتاقک‌های نوزاد نارس، استرلیزه‌کن‌ها و غیره به کنترل رطوبت نیاز دارند. همچنین در تولید گیاهان دارویی و پردازش‌های بیولوژیکی کاربرد دارند.
تمامی کاربردای ذکر شده و دیگر کاربردهای موجود به فهمیدن میزان رطوبت نیاز دارند و این کار را سنسورهای رطوبت برایمان انجام می‌دهند. قبل از بحث در مورد سنسورهای رطوبت، انواع سنسور و اصول کارکرد آنها، برخی از تعاریف و اصطلاحات موجود در مورد سنسورهای رطوبت را بیان خواهیم کرد.
اصطلاحات مهم مربوط به رطوبت
رطوبت: عموما اصطلاح رطوبت مقدار آب موجود در یک ماده می‌باشد. اما به صورت عملی، اصطلاح رطوبت به مقدار آب موجود در جامدات و مایعات تلقی می‌شود. اصطلاح رطوبت (شرجی بودن) به میزان آب موجود در گازها (هوا) اشاره دارد.
رطوبت مطلق: رطوبت مطلق (AH) نسبت جرم بخارآب به حجم کل هوا است. اگر m جرم بخارآب و V حجم کل (به عبارت دیگر حجم مخلوط بخارآب و هوا) باشد، رطوبت مطلق از طریق فرمول زیر به دست می‌آید:
در فرمول رطوبت مطلق، اثری از دما وجود ندارد اما با تغییر دما و فشار تغییر می‌کند.
رطوبت نسبی: هر موقع در مورد اندازه‌گیری رطوبت صحبت می‌کنیم، منظور ما معمولا رطوبت نسبی است (مگر اینکه به گونه‌ای دیگر مشخص شود).
در رطوبت نسبی (RH) اثر هر دو عامل دما و فشار وجود دارد. پس آن سنسورهای رطوبت که رطوبت نسبی را اندازه‌گیری می‌کنند، هم مقدار رطوبت و هم دمای هوا را اندازه می‌گیرند.
نکته: برای دماهای بالای 100 درجه سانتی‌گراد، اندازه‌گیری رطوبت نسبی هیچ فایده‌ای ندارد زیرا نتایج گمراه‌کننده به همراه خواهد داشت.
رطوبت خاص: رطوبت خاص (SH) نسبت جرم بخارآب به جرم کل هوا است.
نسبت مخلوط یا نسبت رطوبت: نسبت مخلوط همان نسبت جرم بخارآب به جرم هوای خشک است.
دمای نقطه شبنم: دمای نقطه شبنم دمایی است که مقدار بخارآب در هوا به اشباع رسیده است. در دمای نقطه شبنم، رطوبت نسبی 100% است. به عبارت دیگر، برای اینکه هوا بتواند حداکثر مقدار رطوبت یا بخارآب داشته باشد، باید به دمای نقطه شبنم برسد.
سنسور رطوبت چیست؟
سنسورهای رطوبت ابزار بسیار مهمی هستند که به ما برای اندازه‌گیری رطوبت محیط کمک می‌کنند. از لحاظ فنی، ابزاری که رطوبت جو را اندازه‌گیری می‌کند هایگرومتر (Hygrometer) نام دارد. سنسورهای رطوبت یا هایگرومترها با توجه به نوع رطوبت مورد اندازه‌گیری طبقه‌بندی می‌شوند. به عبارت دیگر سنسورهای رطوبت مطلق (AH) یا سنسورهای رطوبت نسبی (RH). با توجه به المان استفاده شده برای اندازه‌گیری رطوبت می‌توانند به گروه‌های سنسورهای خازنی، سنسورهای هدایت الکتریکی (مقاومتی) و سنسورهای هدایت حرارتی طبقه‌بندی شوند.
انواع دیگری از سنسورهای رطوبت یا هایگرومتر با نام‌های سنسور رطوبت نوری، سنسور رطوبت نوسانگر و سنسور رطوبت وزن‌سنج وجود دارند.
انواع سنسور رطوبت
سنسور رطوبت خازنی
سنسورهای رطوبتی بر اساس اثر خازنی یا به زبان ساده؛ سنسورهای رطوبت خازنی یکی از اساسی‌ترین انواع سنسورهای رطوبت موجود هستند.
معمولا در کاربردهایی استفاده می‌شوند که عواملی چون هزینه، استحکام و اندازه مهم است. در سنسورهای رطوبت نسبی خازنی، نفوذپذیری الکتریکی مواد دی‌الکتریک با تغییر رطوبت تغییر می‌کند.
سنسور رطوبت نسبی خازنی
یک سنسور رطوبت نسبی خازنی ساده را می‌توان با یک خازن پر از هوا مابین دو صفحه‌اش ساخت؛ به نحوی که با تغییر رطوبت محیط، میزان نفوذپذیری آن تغییر می‌کند. برای کاربردهای عملی استفاده از هوا به عنوان دی‌الکتریک بین دو صفحه خازن ممکن نیست.بنابراین، فضای بین دو صفحه خازن باید با ماده دی‌الکتریک مناسب (عایق) پر شود که ضریب دی‌الکتریک آن با تغییر رطوبت تغییر کند. روش رایج برای ساخت یک سنسور رطوبت نسبی خازنی این است که از یک لایه پلیمر نم‌نما به عنوان دی‌الکتریک استفاده کنیم که در عین حال دو لایه از الکترود در دو سمت آن وجود دارند.
راه دیگر برای استفاده از سنسورهای رطوبت نسبی خازنی این است که تغییرات فرکانسی یک نوسانگر را مشاهده کنیم که توسط یک خازن دارای ویژگی حساس به رطوبت نسبی به عنوان دی‌الکتریک ساخته شده‌است. حالت تنظیم بیان‌شده معمولا در محصولات دارویی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
نمونه‌های تست همچون قرص‌های دارویی بین دو صفحه قرار می‌گیرند (صفحه‌هایی که الکترودهای خازنی را تشکیل می‌دهند) تا در یک مدار نوسانگر LC، خازن را تشکیل دهند. فرکانس نوسانگر بر اساس رطوبت موجود در اطراف نمونه‌ها تغییر می‌کند.
اجازه دهید ساخت یک سنسور رطوبت نسبی خازنی بر اساس لایه پلیمری ترموستات نازک را ببینیم که بر روی یک بستر سیلیکونی ساخته شده‌است. بر روی این بستر، دو الکترود فلزی ساخته شده از آلومینیوم، پلاتین یا کروم قرار گرفته اند. شکل این الکترودها به گونه‌ای است که الکترودها یک الگوی بین انگشتی را تشکیل می‌دهند.
یک لایه دی‌الکتریک بر روی این لایه، لایه‌نشانی می‌شود. تصویر بعدی بیان‌گر دید از بالا و کنار سنسور رطوبتی خازنی است. توجه کنید که دو مقاومت حساس به دما بر روی همان زیرلایه، لایه‌نشانی شده‌است تا وظیفه جبران‌سازی دمایی را انجام دهد.
مزایا و معایب سنسورهای رطوبت خازنی
خروجی ولتاژ تقریبا خطی
نتایج باثبات در طولانی‌مدت
تشخیص محدوده وسیعی از رطوبت نسبی
محدودیت فاصله بین مدار سیگنال و سنسور
کاربردهای سنسورهای رطوبت خازنی
سنسورهای رطوبت خازنی در کاربردهای وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند که گوشه‌ای از آنها عبارتنداز:
- سیستم‌های تهویه، گرمایش و سرمایش (HVAC)
- پرینترها و دستگاه‌های فاکس
- ایستگاه‌های هواشناسی
- اتومبیل‌ها
- کارخانه‌های تولید غذا
- یخچال‌ها، فرها و سشوارها
سنسور رطوبت مقاومتی
سنسور رطوبتی مقاومتی معمولا از موادی ساخته می‌شود که مقاومت کمتری دارند و این مقاومت با تغییرات رطوبت به صورت قابل ملاحظه‌ای تغییر می‌کند. رابطه نمایی معکوس بین مقاومت و رطوبت وجود دارد. یک ماده کم‌مقاومت روی هر دو الکترود لایه‌نشانی شده‌است.
الکترودها به صورت بین‌انگشتی قرار داده شده‌اند تا ناحیه تماس بیشتر شود. زمانی‌که لایه زبرین آب جذب می‌کند، مقاومت بین دو الکترود تغییر می‌کند و این تغییر را می‌توان به کمک مدار ساده الکتریکی اندازه‌گیری کرد.
برخی از مواد متداول مورد استفاده عبارتنداز نمک، بسترهای تصفیه‌شده ویژه، پلی‌الکترولیت‌های جامد و پلیمرهای رسانا. سنسورهای رطوبت مقاومتی مدرن با مواد سرامیکی پوشانده شده‌اند تا ویژگی محافظتی بیشتری داشته باشند. الکترودهای حسگر معمولا از فلزات نجیب مانند طلا، نقره یا پلاتین ساخته شده‌اند.
مزایا و معایب سنسورهای رطوبت مقاومتی
هزینه کم
اندازه کوچک
فاصله بین سنسور و مدار سیگنال می‌تواند زیاد باشد (برای عملیات از راه دور مناسب است)
قابلیت تعویض‌پذیری بالایی دارند زیرا هیچ استاندارد کالیبره کردن وجود ندارد.
سنسورهای رطوبت مقاومتی به بخارهای شیمیایی و دیگر آلاینده‌ها حساسند.
اگر با مواد حلاال آب از آنها استفاده کنیم ممکن است خروجی نشان‌دهنده رطوبت، اشتباه داشته باشد.
کاربرد سنسور رطوبت مقاومتی
سنسورهای رطوبت مقاومتی یا هدایت الکتریکی، سنسورهای کم هزینه با اندازه کوچک هستند. معمولا کاربردهای صنعتی، خانگی، مسکونی و تجاری دارند.
سنسور رطوبت هدایت حرارتی
سنسورهای رطوبت هدایت حرارتی (Thermal Conductivity Humidity Sensors) همچنین به عنوان سنسورهای رطوبت مطلق (AH) شناخته می‌شوند زیرا رطوبت مطلق را اندازه‌گیری می‌کنند. سنسورهای رطوبت رسانایی حرارتی، هدایت حرارتی هوای خشک و هوای مرطوب را اندازه‌گیری می‌کنند. تفاوت بین هدایت حرارتی هر جسم می‌تواند مربوط به رطوبت مطلق باشد.
کارکرد سنسور رطوبت هدایت حرارتی
ترمیستور بهترین ابزار برای ساخت سنسور رطوبت هدایت حرارتی است. پس، دو ترمیستور کوچک با ضریب دمایی منفی در مدار پل استفاده شده‌است.
در آن، یک ترمیستور به صورت هرمتیک (حالتی که هوا اجازه نفوذ ندارد) در یک محفظه پر از نیتروژن خشک قرار داده می‌شود درحالی‌که دیگری از طریق سوراخ‌های کوچک در معرض محیط باز قرار می‌گیرد. هنگامی که مدار روشن می‌شود، مقاومت دو ترمیستور محاسبه می‌شود و تفاوت بین این دو مقدار با رطوبت مطلق (AH) نسبت مستقیم دارد.
مزایا و معایب سنسورهای رطوبت هدایت حرارتی
برای محیط‌های با دما شرایط خورندگی بالا مناسب‌اند
عمر مفید بالایی دارند
نسبت به دیگر سنسورها از دقت بالایی برخورداند
اگر در معرض هر نوع گاز با ویژگی حرارتی به غیر از نیتروژن قرار بگیرند، احتمال خطا در اندازه‌گیری وجود دارد
کاربردهای سنسور رطوبت هدایت حرارتی
برخی از کاربردهای رایج سنسورهای رطوبت هدایت حرارتی عبارتنداز:
- خشک کردن الوار
- گیاهان دارویی
- فرها
- خشک‌کننده‌های لباس و سشوارها
- خشک کردن مواد غذایی
نکات مهم انتخاب سنسور رطوبت
نکات بعدی، برخی از پارامترهایی هستند که باید در هنگام انتخاب سنسور رطوبت مورد توجه قرار بگیرند.
کالیبره کردن – نیازها و روش‌ها
اندازه سنسور
هزینه سنسور و هزینه تعویض
میزان یکسان بودن خروجی پس از تکرار اندازه‌گیری
پیچیدگی مداری
مقاومت در برابر آلودگی‌ها (آلاینده‌ها)
