Snímač vlhkosti je elektronické zařízení, které měří vlhkost prostředí a převádí přijatá data na odpovídající elektrický signál. Produkty se velmi liší velikostí a funkčností – některé lze nalézt v přenosných zařízeních (jako jsou chytré telefony), zatímco jiné jsou integrovány do větších vestavěných systémů (jako jsou systémy sledování kvality ovzduší).
Vlhkost je množství vodní páry přítomné ve vzduchu, které může ovlivnit nejen osobní pohodlí, ale také různé průmyslové výrobní procesy. Například v polovodičovém průmyslu je důležité správně kontrolovat a monitorovat úrovně vlhkosti, aby bylo zajištěno správné zpracování plátků. Kontrola tohoto parametru je důležitá také pro inkubátory, dýchací zařízení, sterilizátory a biologické produkty. Kromě toho přítomnost vodní páry ovlivňuje různé chemické, biologické a fyzikální procesy.
Indikátor vlhkosti je důležitým parametrem pro monitorování a regulaci ve vědeckých, průmyslových a ekonomických aplikacích, protože nedostatek nebo nadbytek vlhkosti může vést k důsledkům, jako je degradace materiálů, koroze a růst bakterií. Z tohoto důvodu technologie výroby senzorů v posledních letech výrazně pokročily, poháněné vysokorychlostními, nízkoenergetickými a levnými mikroelektronickými hybridními obvody, pokročilými technikami zpracování signálu a vědeckými pokroky v miniaturizačních technologiích.
Typy čidel vlhkosti
Senzory vlhkosti jsou elektronická zařízení, která měří a hlásí množství vodní páry ve vzduchu nebo jiných plynech a používají se v různých aplikacích, od řízení průmyslových procesů až po řízení klimatu v domácnostech a kancelářích. Existuje několik různých typů senzorů vlhkosti, z nichž každý má své výhody a nevýhody.
Snímače vlhkosti lze klasifikovat podle různých kritérií, jako je mechanismus snímání, princip činnosti, konstrukce a použití. Níže jsou uvedeny některé běžné metody klasifikace:
Spouštěcí mechanismus
Senzory vlhkosti lze klasifikovat podle spouštěcího mechanismu, který používají k detekci vody. Mezi běžné typy snímacích mechanismů patří:
- Kapacitní – měří změny kapacity snímacího prvku v důsledku vlhkosti;
- Odporový – zaznamená změny odporu snímacího prvku v závislosti na přítomnosti vlhkosti;
- Termistorové nebo psychometrické – reagují na změny tepelné vodivosti nebo tepelné kapacity snímacího prvku v důsledku vystavení vlhkosti;
- Optické – reagují na zvýšení nebo snížení indexu lomu nebo absorpce citlivého prvku v důsledku působení vlhkosti;
- Gravimetrický – zaznamenává změny hmotnosti citlivého prvku při výskytu vlhkosti.
Princip
Senzory vlhkosti lze klasifikovat podle principu jejich činnosti. Některé obecné provozní principy zahrnují:
- Hygrometrie – měří absolutní vlhkost okolního vzduchu;
- Rosný bod – měří teplotu, při které vodní pára ve vzduchu kondenzuje na kapalinu;
- Psychrometrie – měří relativní vlhkost okolního vzduchu.
Výstavba
Snímače vlhkosti lze také klasifikovat podle jejich konstrukce. Některé běžné typy designu zahrnují:
- Tenký film – tyto snímače používají jako snímací prvek tenkou vrstvu z určitého materiálu;
- Objemové – tyto snímače využívají jako citlivý prvek sypký materiál;
- Surface Acoustic Wave (SAW) – Senzory používají akustické vlny k detekci změn vlhkosti;
Mikroelektromechanické systémy (MEMS) – využívají technologie mikrovýroby k vytvoření mikroskopických integrovaných senzorů.
Aplikace pro senzory vlhkosti
Případy použití snímačů vlhkosti se mohou lišit v závislosti na konkrétním odvětví a jeho potřebách. Níže jsou uvedeny některé příklady použití senzorů vlhkosti v různých oblastech činnosti:
- Chemická výroba – použití vlhkostních senzorů při chemických reakcích ke kontrole vlhkosti činidel a dalších látek. Například při vytváření kyselin, roztoků a dalších chemických sloučenin.
- Doprava paliva – kontrola vlhkosti paliva ve vozidlech a skladech. To pomáhá předcházet korozi a poškození palivového systému a také zlepšuje účinnost spalování.
- Pharmaceuticals – sledování úrovně vlhkosti během výroby a skladování léků pro udržení stabilní kvality produktů a jejich ochranu před vlhkostí.
- Polymerizace je stanovení vlhkosti při výrobě polymerů pro zlepšení jakostních vlastností materiálu a zabránění jeho degradaci.
- Chov zvířat – kontrola vlhkosti v krmivu a nápojích pro zvířata k zajištění optimálních nutričních podmínek pro zvířata a snížení rizika onemocnění.
- Skladování produktů – udržování požadované úrovně vlhkosti pro skladované potraviny a zboží podléhající rychlé zkáze. Tím se zabrání rozvoji plísní, hniloby a jiných forem kažení.
- Údržba chladniček a mrazniček – senzor je umístěn uvnitř chladničky a pomáhá předcházet tvorbě ledu, stejně jako zvyšovat účinnost chladicího systému.
- Dřevozpracující průmysl – stanovení vlhkosti v dřevěných materiálech při jejich zpracování, sušení v peci a dalších technologických procesech.
Metody měření vlhkosti
V dnešní době jsou na trhu různé typy senzorů vlhkosti, z nichž každý využívá jiné metody měření vlhkosti. Podívejme se na ty hlavní:
Kapacitní senzory vlhkosti – jeden z nejběžnějších typů snímačů vlhkosti. Zaznamenává změny hodnot kapacity kondenzátoru při vystavení vlhkosti. S rostoucí vlhkostí se mění dielektrická konstanta kondenzátoru, což zase mění jeho kapacitu. Kapacitní snímače mají vysokou přesnost, rychlou dobu odezvy a relativně nízkou cenu. Mohou však být citlivé na znečištění a časem vyžadují kalibraci.
Odporové senzory vlhkostitaké známý jako vlhkoměry – měřit změny elektrického odporu způsobené vystavením vlhkosti. Používají tenký film vyrobený z hygroskopického materiálu, jako je chlorid lithný, který absorbuje nebo uvolňuje vlhkost v závislosti na relativní vlhkosti. Odolnost fólie se mění podle množství absorbované vlhkosti. Odporové senzory jsou vysoce citlivé a poskytují lineární odezvu na změny úrovně vlhkosti. Vyžadují však stabilní napájení a jsou také náchylné na změny teplot.
Tepelně vodivé senzory vlhkosti – zaznamenávat a měřit změny tepelné vodivosti materiálu, které se projeví vlivem vlhkosti. Senzor se skládá ze dvou teplotních senzorů, z nichž jeden je pokryt materiálem pohlcujícím vlhkost. S rostoucím obsahem vody v materiálu se mění jeho tepelná vodivost, což následně způsobuje teplotní rozdíl mezi oběma senzory. Tyto senzory jsou vysoce přesné a dlouhodobě stabilní, ale často jsou dražší než jiné typy senzorů vlhkosti.
Senzory rosného bodu – princip jejich činnosti spočívá v ochlazení povrchu na teplotu, při které se objeví rosa, poté čidla zaznamenají hodnotu, při které k tomuto útvaru dochází. Teplota rosného bodu přímo souvisí s relativní vlhkostí. Snímače rosného bodu mají vysokou přesnost a jsou schopny měřit absolutní vlhkost vzduchu. Jsou však složitější než jiné typy senzorů a vyžadují stabilní zdroj energie.
Princip činnosti snímačů vlhkosti
Existuje několik typů senzorů, všechny používají různé metody měření vlhkosti a podle toho se liší jak konstrukcí, tak principem činnosti. Podívejme se na hlavní typy.
Kapacitní senzory vlhkosti
Kondenzátorový kondenzátor se skládá ze dvou elektrodových vrstev s dielektrickým materiálem mezi nimi, který může absorbovat vlhkost z okolního vzduchu, technický název pro tento jev je hygroskopičnost. Dielektrikum používané v kapacitních senzorech je polymerní film (např. oxid kovu), který má typicky propustnost 2 až 15 f/m. Tyto senzory patří mezi nejoblíbenější senzory vlhkosti, protože uživatelům poskytují stabilní hodnoty po dlouhou dobu používání a dokážou detekovat široký rozsah relativní vlhkosti (0-100 %).
Když dielektrický materiál absorbuje vodní páru, dielektrická konstanta se zvyšuje, což zvyšuje kapacitu (schopnost sbírat a ukládat energii) sondy. Relativní vlhkost vzduchu, vlhkost uvnitř dielektrického materiálu a kapacita mají přímý vztah.
Odporové senzory vlhkosti
Odporové senzory vlhkosti (neboli senzory vodivosti) měří elektrický odpor atomů pomocí iontů v solích. Při změně vlhkosti se mění i odpor elektrod.
Uvnitř sondy je hygroskopická vodivá vrstva obsahující sadu hřebenových elektrod uspořádaných do propleteného vzoru. Toto schéma zvětšuje kontaktní plochu mezi elektrodami a vodivou vrstvou. Při pohlcování vodní páry se zaznamenává pokles měrného odporu, jak se zvyšuje vodivost materiálu.
Tyto snímače vlhkosti jsou levné, mají malé rozměry a jsou plně zaměnitelné, protože nemají žádné kalibrační standardy. Pamatujte, že jsou relativně citlivé na kontaminaci a výstupní hodnoty mohou kolísat, pokud používáte produkty rozpustné ve vodě.
Termistorová čidla vlhkosti
Nejlepší komponentou pro vytvoření čidla vlhkosti na principu tepelné vodivosti je termistor. Proto jsou pro můstkový obvod použity dva malé NTC termistory. V tomto případě je jeden prvek hermeticky uzavřen v komoře naplněné suchým dusíkem a druhý je vypouštěn do volného prostředí malými ventilačními otvory. Po zapnutí obvodu se vypočítá odpor dvou termistorů a rozdíl mezi těmito dvěma hodnotami je přímo úměrný absolutní vlhkosti (AH). Tyto senzory, které se často používají k měření vlhkosti ve vysokých teplotách nebo v drsném prostředí, jsou extrémně odolné a poskytují uživatelům vyšší rozlišení než jiné senzory. Při používání tohoto senzoru se vyhněte působení plynů, které mají jiné tepelné vlastnosti než dusík, protože to může ovlivnit hodnoty vlhkosti.
Systém monitorování teploty a vlhkosti
Systém monitorování teploty a vlhkosti je cenným přínosem pro skladové společnosti s procesy kontroly kvality logistiky. Instalace snímačů teploty a vlhkosti demonstruje jejich odhodlání plnit normy a požadavky a pomáhá vytvořit si reputaci vynikající společnosti pro správu skladů nebo nemovitostí s vysokými standardy služeb.
Systémy dálkového monitorování teploty a vlhkosti jsou rozšířeny pro snížení nákladů spojených s údržbou skladů a skladováním produktů. Dálkový monitorovací systém komerčních budov nepřetržitě shromažďuje úroveň teploty a vlhkosti na místě v reálném čase a upozorní uživatele, když se některý z indikátorů posune nad nebo pod nastavené hodnoty, čímž předchází nákladným škodám na majetku a zařízení v případě selhání systému vytápění/ chlazení.
Systém monitorování teploty a vlhkosti pomáhá odhalit problémy v rané fázi. Pro každý senzor lze nastavit individuální minimální a maximální hodnoty teploty a vlhkosti, výrobky jsou chráněny před vodou, prachem a jinými pevnými částicemi. Data z řídicích senzorů jsou přenášena na online monitorovací portál pomocí LAN/internetové brány.
Závěr
Existují různé snímače teploty a vlhkosti, některá z těchto zařízení jsou široce používána v průmyslových procesech a slouží jako spolehlivý prostředek k prevenci následků spojených s přítomností vysoké nebo nízké úrovně vlhkosti v prostředí. Na druhou stranu stále více lidí začalo myslet na osobní pohodlí ve svém domově nebo na pracovišti sledováním vlhkosti v místnosti. Čidla vlhkosti lze tedy použít k zamezení potenciálních problémů s plísněmi, ke stabilizaci provozu ventilačního systému a obecně k automatizaci systému monitorování teploty a vlhkosti.
