Czujniki wilgotności i temperatury do pomiaru poziomu wilgotności powietrza: zasada działania różnych typów

Utrzymanie mikroklimatu na danym poziomie jest ważne nie tylko dla niektórych procesów produkcyjnych, ale także dla komfortowego życia ludzi. Jedną z kluczowych części są czujniki wilgotności i temperatury. Ten sprzęt pomiarowy ma kilka modeli, które różnią się wielkością, kosztem, zastosowaną zasadą fizyczną i dokładnością pomiaru.

Informacje teoretyczne

Wilgotność powietrza charakteryzuje ilość zawartej w nim pary wodnej w określonej temperaturze. Wilgotność bezwzględna i względna. Pierwsza pokazuje ilość wody w postaci pary, znajdującej się w jednostce objętości gazu, i jest mierzona w gramach na metr sześcienny. Każdy gaz w określonej temperaturze ma swoją wilgotność bezwzględną, po osiągnięciu której rozpoczyna się proces kondensacji cieczy.

Wilgotność względna wskazuje, w jakim stopniu aktualny stan wilgotności osiągnął wartość bezwzględną. Jest mierzony w procentach i zależy również od temperatury gazu. Przy wilgotności względnej 100% w określonej temperaturze osiągany jest „punkt rosy” – proces oddzielania wilgoci od gazu rozpoczyna się w postaci niewielkich kropel. Im wyższa jego temperatura, tym większa wilgotność bezwzględna. Dlatego wiele domowych i przemysłowych systemów klimatyzacji jest wyposażonych w połączony czujnik temperatury i wilgotności.

Cechy różnych wzorów

Istnieje pięć najpopularniejszych typów czujników wilgotności powietrza. Mianowicie:

• pojemnościowy;
• optyczny;
• rezystancyjny;
• elektroniczny;
• termistor.

Każdy typ ma swoje zalety i wady. Wybór czujnika wilgotności powietrza do montażu w konkretnym urządzeniu opiera się na bilansie zalet i wad konkretnego modelu. Producenci wybierają najlepszą opcję pod względem niezawodności, dokładności pomiaru i kosztów.

Typ pojemnościowy

Najprostszą wersją takiego urządzenia pomiarowego jest skraplacz powietrza. Gdy zmienia się ilość pary wodnej w gazie, zmieniają się właściwości samego gazu, w tym stała dielektryczna. Pomiar tych ostatnich z późniejszym przetwarzaniem danych daje przedstawienie nasycenia powietrza parą wodną.

Bardziej złożona modyfikacja różni się tym, że zamiast powietrza między płytami kondensatora umieszczony jest specjalny dielektryk, wrażliwy na ilość wilgoci w powietrzu. Taki czujnik jest w stanie mierzyć wilgotność nie tylko gazów, ale także małych ciał stałych.

Bardziej doskonała i dokładniejsza wersja czujnika pojemnościowego składa się z dwóch elektrod grzebieniowych umieszczonych na podłożu. Zastępują płytki kondensatora,

Wśród zalet czujników pojemnościowych są:

• prostota urządzenia;
• niska cena;
• niezawodność pracy.

Ale są też wady:

• niska dokładność pomiaru, gdy wartość zbliża się do dolnego progu;
• zależność odczytów od czystości medium (małe pyliste cząstki w gazie mają istotny wpływ na stałą dielektryczną);
• konieczność zasilania czujnika.

Czujnik optyczny

Ten typ jest najdokładniejszy, ale i najdroższy. Stosowany jest z reguły w urządzeniach laboratoryjnych oraz w produkcji z procesami technologicznymi wrażliwymi na parę wodną. W sprzęcie AGD stosowanie czujnika optycznego nie jest praktyczne.

Zasada działania jest następująca: do lustra podawana jest wiązka światła, która po odbiciu jest wychwytywana przez fotoczujnik, stopniowe chłodzenie powierzchni lustra prowadzi do początku procesu kondensacja pary wodnej i rozpraszanie odbitej wiązki światła, utrwalanie i przetwarzanie „punktu rosy” oraz aktualnego stanu temperatury i ciśnienia daje informację o stopniu zawilgocenia powietrze.

Typ optyczny to zarówno czujnik wilgotności, jak i temperatury.

Rezystancyjny i elektroniczny higrometr

Czujniki te są proste w konstrukcji, ale ich dokładność pomiaru jest najniższa. Zasada działania elementu rezystancyjnego jest następująca: materiał o niskiej rezystancji i wysokiej wrażliwości na wilgoć jest umieszczony między dwiema elektrodami (zwykle jest to tlenek glinu), mierzona jest całkowita rezystancja, dane są przetwarzane w celu obliczenia wilgotności względnej.

Zasada działania typu elektronicznego opiera się na właściwości elektrolitu nałożonego na warstwę elektroizolacyjną do zmiany jego stężenia, gdy zmienia się ilość pary wodnej w powietrzu. Ten rodzaj czujnika poziomu wilgotności jest niewielkich rozmiarów, co pozwala na jego instalację w urządzeniach o niewielkich rozmiarach. Jednocześnie higrometry elektroniczne mają wystarczającą dokładność pomiaru dla urządzeń gospodarstwa domowego i niezawodność. Kolejną zaletą jest możliwość pomiaru wilgotności powietrza niezależnie od temperatury otoczenia.

Odmiana termistora

Termistor to nieliniowy element elektroniczny, w którym rezystancja zmienia się w dużym stopniu wraz z niewielką zmianą temperatury. W czujniku jeden termistor jest wbudowany w szczelną komorę suchym powietrzem, a drugi ma bezpośredni kontakt z otoczeniem. Pary wilgoci, gdy uderzają w drugi termistor, częściowo kondensują się na nim i odparowują. Zmienia to jego temperaturę i odporność. Porównanie rezystancji dwóch termistorów daje wyobrażenie o stopniu wilgotności powietrza.