سنسور رطوبت

سنسور رطوبت یک ابزار الکتریکی جهت اندازه گیری میزان رطوبت محیط است. به عبارت دیگر، سنسور های رطوبت در اندازه گیری میزان بخار آب موجود در هوا به کار می روند. در این سنسورها مقدار رطوبت اندازه گیری شده به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. برخی از کاربرد های سنسور رطوبت عبارت اند از:

• تلفن های هوشمند
• گلخانه ها
• سیستم هایی مانند نطارت بر کیفیت هوا و صنایع هواشناسی
• صنایع پزشکی و آزمایشگاه ها
• صنعت خودرو و غیره

اهمیت کنترل رطوبت

در بعضی محیط ها ی صنعتی از جمله گلخانه، آزمایشگاه و غیره اندازه گیری و کنترل میزان رطوبت اهمیت بالایی دارد. به عنوان مثال در صنعت مرغداری و دستگاه های جوجه کشی باید پارامتر رطوبت و دما ی محیط را کنترل کنیم. خارج شدن این پارامتر ها از حد مجاز، موجب بروز خسارت خواهد شد. امروزه با استفاده از روش های مختلفی می توان میزان رطوبت محیط را کنترل کرد. یکی از این روش ها، استفاده از رله های کنترل کننده رطوبت یا رطوبت سنج است . در مقاله ی کنترلر رطوبت، نحوه ی عملکرد این کنترلر ها بررسی شده است.
فرآیند کنترل رطوبت با استفاده از رله های کنترلی به صورت حلقه بسته انجام می‌شود. نحوه عملکرد کنترل کننده ی رطوبت شامل گام های زیر است:

1. ابتدا با استفاده از یک سنسور میزان رطوبت محیط سنجیده می‌شود.
2. در ادامه مقدار اندازه گیری شده به عنوان فیدبک وارد کنترلر می شود. این مقدار با عدد تنظیم شده SP یا همان میزان رطوبت مطلوب مقایسه خواهد شد.
3. در انتها کنترل کننده رطوبت فرمان لازم را صادر می کند. این فرمان متناسب با نتیجه ی مقایسه و برنامه ی تنظیم شده است. این فرمان به عملگر های متصل در خروجی کنترلر اعمال خواهد شد. به صورت کلی عملگر متصل شده به خروجی کنترلر می‌تواند رطوبت ساز یا Humidifier، رطوبت گیر یا dehumidifier و فن استخراج کننده یا Extractor fan باشد.

هنگام استفاده از یک کنترلر رطوبت، محل نصب سنسور از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان مثال در واحد های کنترل کننده رطوبت که شامل سنسور با ارتباط از راه دور هستند، محل نصب سنسور روی دقت اندازه گیری تاثیر گذار خواهد بود. اگر فاصله ی سنسور از کنترلر بیش از حد باشد، ممکن است نتیحه سیگنال و داده های ارسالی اشتباه باشند. در این حالت رطوبت اندازه گیری شده صحیح نبوده و عملکرد کنترلر رطوبت با خطا همراه خواهد بود. به صورت کلی نباید سنسور ها را در مکان های نزدیک به درب، پنجره، وسایل گرمایشی، اجاق ها و غیره نصب کرد.

انواع رطوبت

به مقدار آب موجود در اتمسفر، رطوبت هوا گفته می‌شود. ممکن است عبارت هایی مانند رطوبت مطلق، رطوبت نسبی و غیره را نیز شنیده باشید. برخی از عبارت های مهم به این شرح هستند:

• رطوبت نسبی: رطوبت نسبی رایج ترین پارامتر جهت اندازه گیری رطوبت است. این نوع رطوبت، نسبت درصدی از بخار آب موجود در یک درجه حرارت معین به میزان بخار آبی است که هوا در آن دمای معین قادر به نگهداری است. به عبارت دیگر RH نسبت مقدار رطوبت موجود در یک دمای معین به حداکثر مقدار رطوبت هوا در همان دما است. این پارامتر معمولا بر حسب درصد بیان شده و با علامت RH % نشان داده می‌شود. منظور از RH همان Relative Humidity یا رطوبت نسبی است. در واقع رطوبت نسبی همان مقدار رطوبتی است که در هواشناسی و زندگی روز مره از آن یاد می‌شود. سنسور های رطوبت نیز معمولا رطوبت نسبی محیط را اندازه گیری می‌کنند.
• رطوبت مطلق: رطوبت مطلق یا AH مقدار بخار آب موجود در واحد حجم از هوا است.

انواع سنسور رطوبت

با توجه به نکات بالا می توان سنسور های رطوبت را به دو گروه تقسیم کرد:

• سنسور ها ی رطوبت نسبی یا RH
• سنسور های رطوبت مطلق یا AH

با افزایش درجه حرارت؛ قابلیت ذخیره ی رطوبت در هوا نیز بیشتر می شود. به عبارت دیگر رطوبت نسبی به دمای هوا وابسته بوده و همراه با آن تغییر می کند. به صورت کلی انواع سنسور رطوبت عبارت اند از:

• سنسور رطوبت خازنی یا Capacitive humidity sensors
• سنسور رطوبت مقاومتی یا Resistive humidity sensors
• سنسور رطوبت حرارتی یا Thermal conductivity humidity sensors

سنسور خازنی

سنسور های رطوبت خازنی و مقاومتی جهت اندازه گیری رطوبت نسبی relative humidity و سنسور های رطوبت حرارتی جهت اندازه گیری رطوبت مطلق یا absolute humidity استفاده می شود. معمولا در سنسور های رطوبت نسبی از یک ترمیستور جهت تعیین میزان دما نیز استفاده می شود.
سنسور های رطوبت خازنی بر اساس عملکرد خازن طراحی شده اند. این خازن شامل دو لایه الکترود و یک ماده ی دی الکتریک در بین آن ها است. در سنسور رطوبت خانی، جنس ماده ی دی الکتریک به شکلی است که قادر به جذب رطوبت هوای اطراف باشد. در اکثر سنسور های خازنی از پلاستیک یا پلیمر به عنوان ماده ی دی الکتریک استفاده می شود. تصویر زیر قسمت های تشکیل دهنده ی یک سنسور رطوبت خازنی را نشان می دهد.

رطوبت نسبی هوا، میزان رطوبت موجود در مواد دی الکتریک و ظرفیت سنسور دارای رابطه ی مستقیم هستند. به عبارت دیگر تغییر ثابت دی الکتریک به صورت مستقیم با مقدار رطوبت نسبی متناسب است. با اندازه گیری تغییر در ظرفیت و ثابت دی الکتریک می توان سطح رطوبت نسبی را تعیین کرد. در نظر داشته باشید که سنسور های رطوبت خازنی قادر به تشیص طیف وسیعی از رطوبت نسبی هستند.
در سنسور های خازنی، ظرفیت سنسور با سرعتی متناسب با تغییر رطوبت محیط، تغییر می کند. در ادامه اختلاف ولتاژ ناشی از تغییر رطوبت، تقویت شده و و جهت پردازش به کنترلر منتقل می شود. تصویر زیر یک سنسور رطوبت خازنی را نشان می دهد.

در تصویر زیر یک سنسور رطوبت نسبی به نام 220-HMP155D را مشاهده می کنید:

سنسور مقاومتی

سنسور های رطوبت مقاومتی معمولا از موادی با مقاومت نسبتا کم ساخته شده اند. مقاومت این سنسورها با تغییرات رطوبت به صورت قابل توجهی تغییر می کند. رابطه ی بین رطوبت و مقاومت به صورت نمایی و معکوس است. از مزایای این سنسور ها می توان به هزینه ی کم و اندازه ی کوچک آن ها اشاره کرد. از این نوع سنسور در تجهیزات و تاسیسات صنعتی، خانگی و تجاری استفاده می شود. در تصویر زیر شماتیک یک سنسور رطوبت مقاومتی را مشاهده می کنید.

تصویر زیر مربوط به یک سنسور رطوبت مقاومتی مدل SHS_A4L است.

نمونه ی دیگری از سنسور رطوبت نسبی تحت عنوان HS20 Relative humidity sensor در تصویر زیر آورده شده است.

معرفی سنسور رطوبت سنج و دما سنج DHT11

با استفاده از سنسور DHT11 می توان اطلاعات مربوط به دما و رطوبت محیط را به صورت دقیق و کالیبره شده اندازه گیری و به صورت سریال دریافت کرد. تصویر زیر یک سنسور DHT11 را نشان می دهد.

سنسور دما و رطوبت DHT11 از دو بخش اصلی تشکیل شده است. بخش اول یک مقاومت گرمایی و بخش دوم آن یک سنسور رطوبت خازنی است. جهت دریافت خروجی دیجیتال، در این سنسور از یک تبدیل کننده ی آنالوگ به دیجیتال استفاده شده است. برخی مشخصات DHT11 عبارت اند از:

• ولتاژ عملیاتی و ورودی/خروجی 3 تا 5 ولت
• حداکثر جریان استفاده شده هنگام عملیات تبدیل: 2.5 میلی آمپر
• مناسب برای خواندن رطوبت ۲۰-۹۵% با دقت ۲-۵%
• مناسب برای خواندن دمای ۰ تا ۵۰ درجه با دقت ۲ سانتی گراد
• نرخ نمونه برداری 0.5 هرتز یا یک بار در هر دو ثانیه
• اندازه 15.1 در 25 در 7.7 میلی متر
• دارا بودن 4 پین با 0.1 اینچ فاصله

در تصویر زیر نمونه ایی از سنسور رطوبت نسبی یا Relative humidity sensor نمایش داده شده است. این سنسور از برند Vinayak Enterprise بوده و دارای دقت 3% است.

تصویر زیر یک سنسور دما و رطوبت نسبی سری AIRH و ترنسمیتر را نشان می دهد. این دستگاه یک سیگنال خروجی 4 تا 20 میلی آمپر، 0 تا 10 ولت، 0 تا 2 ولت یا 0 تا 3 ولت را تولید می کند. نوع و رنج سیگنال خروجی به مدل انتخابی برای اندازه گیری رطوبت نسبی بستگی دارد. این دستگاه توسط یک درپوش فولادی ضد زنگ محافظت می شود.

کاربرد سنسور رطوبت

برخی از کاربرد های سنسور رطوبت عبارت اند از:

• در موزه ها به دلیل وجود نسخ خطی و عتیقه ها
• در ساختمان های اداری و مسکونی جهت بهبود تهویه ی مطبوع و سالم ماندن هوا
• در بسیاری از اتومبیل ها
• در کارخانه و محیط های دارای محصولات حساس به رطوبت
• در ایستگاه های هواشناسی و اقیانوس شناسی جهت پیش بینی وضع هوا
• در محیط های مختلف آزمایشگاهی و خانگی
• در مصارفی نظیر مرغداری و گلخانه
• در بیماری های تنفسی و آلرژی ها که وابستگی شدیدی به میزان رطوبت هوا دارند. به صورت کلی کاهش رطوبت موجب افزایش بیماری تنفسی و افزایش رطوبت موجب تشدید درد مفاصل می شود.

یکی از ابزار های اندازه گیری رطوبت، نمونه های دستی و آزمایشگاهی هستند. این دستگاه ها در ظاهر شبیه به مولتی متر بوده و پرابی با دو الکترود دارند. در نمونه های صنعتی پراب همراه با یک کنترلر بوده و در صورت لزوم جهت انتقال اطلاعات رطوبت خروجی 4-20 میلی آمپر استفاده می شود. معمولا این رطوبت سنج ها به سنسورهای embedded مجهز بوده و در آن ها قابلیت کالیبره ی سنسور وجود ندارد. برخی از رطوبت سنج های صنعتی امکانات زیر را دارند:

• امکان کالیبره ی سنسورهای دما و رطوبت دستگاه
• امکان ثبت بیشترین و کم ترین مقدار و یا تنظیم ست پوینت برای آلارم

جهت انتخاب دستگاه رطوبت سنج باید به موارد زیر توجه کنیم:

• رنج رطوبت سنج
• نحوه ی نصب رطوبت سنج
• امکان کالیبره کردن سنسورهای رطوبت سنج
• امکان ثبت مقادیر در رطوبت سنج

رطوبت سنج جامدات یا Humidity Meter

به منظور اندازه گیری و نمایش رطوبت چوب و سایر محصولات ساختمانی از رطوبت سنج جامدات استفاده می شود. به وسیله ی این دستگاه می توان رطوبت اجسامی مانند گچ، پنل های چوبی، بتون و غیره را اندازه گیری کرد. واحد اندازه گیری رطوبت برای اجسام مختلف، یکسان نیست. به عنوان مثال واحد اندازه گیری می تواند بر حسب % و یا بر اساس مقیاس 0 تا 100 باشد. در نظر داشته باشید که عدد 100 نشان دهنده ی حداکثر رطوبت و عدد 0 مشخص کننده ی حداقل رطوبت است. در برخی از این رطوبت سنج ها از 3 شاخص خشک، مرطوب و خیس استفاده می شود.

کاربرد رطوبت سنج جامدات

به صورت کلی برخی از کاربرد های رطوبت سنج جامدات عبارت اند از:

• اطلاع از میزان رطوبت موجود در چوب ها، دیوارها و یا سایر مصالح ساختمانی جهت جلو گیری از خسارات ناشی از رطوبت زیاد و یا مجاورت با آب و رطوبت
• کارخانه ی مبلمان سازی و بازسازی
• کارخانه خشک کردن چوب
• بازرسی ساختمان و مبارزه با آفات
• کنترل رطوبت زغال سنگ جهت محاسبه ی دقیق وزن

رطوبت سنج ها را می توان به دو دسته ی اصلی زیر تقسیم کرد:

• پراب مخرب یا نفوذی: رطوبت سنج جامدات با پراب مخرب، رطوبت اجسام را به وسیله پرابی مانند پین یا سوزن اندازه گیری می کند. به این منظور ابتدا باید پین ها را مستقیما به اندازه ی 5 میلی متر داخل جسم قرار داد. این امر باعث تخریب برخی از مواد شده و به همین علت به این مدل رطوبت سنج مخرب یا نفوذی گفته می شود. در این دستگاه مقدار رطوبت به صورت نمودار و یا عددی نمایش داده می شود. در تصویر زیر یک رطوبت سنج جامدات با پراب لوترون مدل Lutron MS-7011 را مشاهده می کنید.

• پراب غیر مخرب یا غیرنفوذی: pinless moisture meter: رطوبت سنج جامدات با پراب غیرمخرب، اندازه گیری را به صورت لمسی انجام می دهد. این دستگاه در برخی موارد به همراه ترمومتر های غیرتماسی IR ساخته شده و استفاده از آن ها  آسان تر است.