أجهزة استشعار درجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية: ما تحتاج إلى معرفته

على الرغم من أن أجهزة استشعار درجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية توفر ميزة جمع بيانات القياس لمتغيرين بتكلفة اقتصادية، إلا أن هناك بعض المشكلات المتعلقة بهذه الأجهزة التي ينبغي الانتباه إليها. في هذه المقالة، سأقدم معلومات أساسية عن أجهزة استشعار درجة حرارة الهواء/الرطوبة النسبية، وأناقش المفاضلة بين التحول من أجهزة الاستشعار التناظرية بالكامل إلى الرقمية، وأسلط الضوء على المشكلات المتعلقة بمادة الترشيح، وأقدم بعض النصائح لاختيار جهاز الاستشعار المناسب.

بعض المعلومات الأساسية حول مستشعرات درجة حرارة الهواء/الرطوبة النسبية

بينما صُممت مستشعرات الطاقة الشمسية والمطر وسرعة الرياح من الأساس لتتحمل الظروف البيئية القاسية، فإن الأمر ليس كذلك بالنسبة لمستشعرات درجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية. فالعناصر الأساسية لهذه المستشعرات ليست مصممة خصيصًا للتطبيقات المناخية، بل اعتاد المصنعون تصميم عناصر الرطوبة النسبية لقطاعات صناعية أوسع، مثل السيارات وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وغرف الاختبارات البيئية (مثل المستحضرات الصيدلانية وغرف العمليات النظيفة).

في العادة، نعود إلى جميع مصنعي أجهزة استشعار درجة حرارة الهواء/الرطوبة النسبية الذين سبق لنا العمل معهم لمساعدتهم على تحسين منتجاتهم لتلائم التطبيقات البيئية. فرغم ادعاء هؤلاء المصنعين أن أجهزة الاستشعار الخاصة بهم مصممة خصيصًا للتطبيقات البيئية، إلا أنها لم تُصمم في الأصل لتحمل الظروف الخارجية لفترات طويلة. وعادةً ما نكتشف عيبًا أو أكثر أغفله المصنعون، حتى في أجهزة الاستشعار المتطورة.

بشكل عام، وجدنا أن أجهزة الاستشعار التي توفر دقة ووضوحًا ممتازين لم تُصمم أبدًا لتحمل وضعها في الخارج لفترات طويلة، وعادةً ما تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة للتشغيل. ويتمثل التحدي الذي واجهناه في إيجاد أجهزة استشعار لدرجة حرارة الهواء والرطوبة النسبية تلبي هذه المتطلبات.

• قدّم الأداء الميداني الذي نحتاجه

• تتميز باحتياجات طاقة منخفضة

• أسعارها ليست باهظة للغاية

• يجب أن يكون خرج الجهد التناظري متوافقًا مع نطاق مسجلات البيانات الخاصة بنا

• لا يتطلب إرسالها للمعايرة (عند الإمكان).

• لا توجد مشاكل في تشقق الكابلات، أو تآكل الهيكل وتقشره.

• النجاة من الظروف الجوية القاسية

المفاضلة بين التناظري والرقمي

تستخدم جميع مستشعرات درجة حرارة الهواء/الرطوبة النسبية الجديدة نوعًا من التحويل التناظري إلى الرقمي، مما يُعقّد الأمور عند استخدام هذه المستشعرات مع مسجلات البيانات القديمة التي تتطلب خرج جهد تناظري. وذلك لأن المستشعر سيضطر حينها إلى إجراء تحويل رقمي إلى تناظري إضافي. لذا، يجب الاعتماد على الشركة المصنعة للقيام بعدة أمور: كفاءة عالية في التحويل التناظري إلى الرقمي الأولي، وكفاءة عالية في التحويل الرقمي إلى التناظري لكي يتمكن مسجل البيانات من قراءته، بالإضافة إلى أداء كل ذلك ضمن نطاق درجة حرارة المستشعر نفسه.

هنا تكمن معظم مشاكلنا مع أجهزة استشعار درجة حرارة الهواء/الرطوبة النسبية الرقمية بالكامل. فقد لاحظنا أن الشركة المصنعة تدّعي شيئًا، بينما نرى شيئًا آخر، أو أن المستشعر لا يحافظ على معايرته بمرور الوقت في بيئة تناظرية معقدة. ومع إضافة عملية التحويل الرقمي إلى التناظري للحصول على خرج جهد تناظري، يزداد الأمر تعقيدًا.

تتميز المستشعرات الرقمية بسهولة معايرتها. يكمن سرّها في عنصر قياس الرطوبة النسبية وخوارزمية القياس الخاصة بالشركة المصنعة. في الواقع، تُجري معظم الشركات المصنعة العديد من القياسات السريعة في الخلفية، ثم تُخرج متوسطًا بمرور الوقت.

مشاكل مواد الترشيح

أي مستشعر لدرجة حرارة الهواء/الرطوبة النسبية يُستخدم في الميدان يتطلب استخدام نوع من مواد الترشيح حول شريحة الرطوبة النسبية لحمايتها من الغبار والملوثات والماء. وهذا يُسبب عدداً من المشاكل:

• تسمح مادة الترشيح المستخدمة من قبل معظم المصنّعين بمرور بخار الماء بكفاءة عالية، لكن الأمر يختلف بالنسبة لدرجة الحرارة. إذا سبق لك إجراء قياسات سريعة باستخدام مستشعر درجة حرارة/رطوبة الهواء، ستلاحظ أن الرطوبة تتغير أسرع بكثير من درجة الحرارة. قد يستغرق الأمر من 10 إلى 20 دقيقة حتى تستقر بعض المستشعرات. عادةً لا يكون هذا عيبًا في المستشعر نفسه، بل في مادة الترشيح. عند سرعات رياح منخفضة جدًا، قد يطول هذا التأخير.
  
  

• إذا تكثفت الرطوبة أو تشبعت مادة المرشح بالماء، فسيستغرق الأمر وقتًا حتى تجف. ولن تتمكن من معرفة المدة التي ستستغرقها هذه العملية، لأنها تعتمد بشكل كبير على سرعة الرياح والرطوبة الفعلية للبيئة المحيطة. وفي هذه الأثناء، وأثناء انتظارك لجفاف مادة المرشح، ستكون القياسات غير دقيقة.
  
  

• تُعدّ المرشحات فعّالة للغاية في احتجاز الملوثات والأملاح؛ إلا أنه، اعتمادًا على مادة المرشح المستخدمة، قد تتشكل بيئة دقيقة بمرور الوقت، مما يؤثر على دقة القياسات. كما قد تتشكل هذه البيئة الدقيقة أيضًا نتيجة استخدام غطاء متعدد الألواح أو غطاء شفط متسخ حول مستشعر درجة حرارة الهواء/الرطوبة النسبية. لذا، يُتوقع استبدال أو تنظيف عناصر المرشح والأغطية بشكل دوري. ويجب فحص المستشعرات بصريًا لتحديد عدد مرات إجراء هذه العملية.
  
  

• يؤدي تكثف الرطوبة على عنصر قياس الرطوبة النسبية إلى تسريع تلفه وانحراف قراءاته. كانت هذه مشكلة في أجهزة الاستشعار القديمة. تستخدم بعض أجهزة الاستشعار الحديثة التي عملنا معها طلاءً خاصًا على عنصر قياس الرطوبة النسبية يحميه ويزيد من عمره دون التأثير على أدائه. تتطلب البيئات ذات الرطوبة العالية باستمرار، مثل المناطق الساحلية أو الغابات المطيرة، معايرة جهاز الاستشعار أو استبدال شريحة قياس الرطوبة النسبية بشكل دوري، قد يصل إلى مرة كل ستة أشهر أو سنة.
  
  

• قام العديد من المصنّعين بطرح مجسات حرارة/رطوبة نسبية مُسخّنة للتغلب على مشاكل التكثيف. تعتمد الفكرة على استخدام مسبار حرارة منفصل لقياس درجة حرارة الهواء، بينما يُحفظ عنصر قياس الرطوبة النسبية، المزود بمجس حرارة خاص به، عند درجة حرارة محددة أعلى من نقطة الندى. يأخذ المجس قيمة الرطوبة المقاسة عند درجة حرارته، ويُحوّلها إلى قيمة الرطوبة المناسبة لدرجة حرارة الهواء. تتطلب هذه المجسات طاقة أكبر قليلاً للتشغيل. لا تُوفر شركة كامبل ساينتيفيك حاليًا نموذجًا من هذا النوع، ولكننا اضطررنا إلى دمجها في أجهزة القياس.
  
  

• مادة مستشعر الرطوبة النسبية حساسة للتلوث. ويختلف نوع التلوث الذي يُتلف أو يُدمر عنصر استشعار الرطوبة النسبية باختلاف الشركة المصنعة. وبشكل عام، يُعد التعرض للمواد البتروكيميائية ضارًا. فنادرًا ما تصمد مستشعرات درجة الحرارة/الرطوبة النسبية في بيئة مصفاة نفط. وينطبق الأمر نفسه على الأمونيا (مخلفات الحيوانات أو البشر) وكبريتيد الهيدروجين أو ثاني أكسيد الكبريت.

قد تلاحظ أن معظم المشكلات المذكورة أعلاه لا تنطبق على أجهزة الاستشعار المستخدمة في أنظمة التكييف والتهوية أو غرف المحاكاة البيئية. أما استخدام هذه الأجهزة لفترات طويلة في التطبيقات المناخية، فهو أمر مختلف تمامًا. لذا، نحرص على إجراء اختبارات دقيقة وشاملة، ونتحقق بأنفسنا من صحة ادعاءات الشركات المصنعة.

نصائح لاختيار مستشعر درجة حرارة/رطوبة الهواء

ملاحظة: أنا أؤمن إيماناً راسخاً بمقولة "أنت تحصل على ما تدفع مقابله".

فيما يلي بعض الاعتبارات عند اختيار مستشعر درجة حرارة الهواء/الرطوبة النسبية.

ما هي ميزانيتك؟

لن تتمتع أجهزة الاستشعار منخفضة التكلفة بدقة أو وضوح أجهزة الاستشعار عالية الجودة. ولكن عادةً ما يكون أداء هذه الأجهزة ممتازًا في الميدان، ولا تتطلب معايرة (حيث يمكن استبدال عنصر قياس الرطوبة النسبية ميدانيًا)، وتفي أو تتجاوز متطلبات الدقة والوضوح المطلوبة.

ما هي مواصفات الدقة والأداء؟

الحقيقة أن قياس الرطوبة النسبية أمرٌ صعب. فالماء في حالته البخارية جزيءٌ متقلب، وسلوكه غير خطي تمامًا مع تغير درجات الحرارة. ويتغير سلوك الماء مجددًا عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة تجمده. سيواجه كل جهاز استشعار متوفر في السوق تحديًا كبيرًا، مصحوبًا بنسبة عالية من عدم اليقين، عند محاولة قياس قيمة رطوبة تبلغ 90% أو أكثر. أما التحدي الأصعب فهو قياس الرطوبة النسبية في ظروف ما دون درجة التجمد.

ما هي الدقة التي تحتاجها فعلاً؟

راجع مواصفات المستشعر، وتحقق من زمن الاستجابة مع المرشح. لا تتردد في طرح الأسئلة. تذكر أنه بمجرد وضع المستشعر داخل غطاء متعدد الألواح ذي تهوية طبيعية، قد تتغير مواصفات درجة الحرارة. ففي ضوء الشمس المباشر في يوم دافئ مع رياح خفيفة، قد تكون درجة الحرارة داخل الغطاء أعلى من درجة الحرارة المحيطة الفعلية بمقدار يتراوح بين 0.5 و1.5 درجة مئوية.

كيف تريد التعامل مع الانحراف نحو اليمين؟

ستتعرض جميع رقائق RH من النوع السعوي للانحراف. بمرور الوقت، سيتشقق عنصر RH (ينتج شبكة من الشقوق السطحية)، وسيرتفع مستوى RH ويخرج عن المواصفات.

هل يمكنك إيقاف عملية جمع بيانات القياس لإرسال المستشعر للمعايرة؟ ستحتاج إلى القيام بذلك مع المستشعرات عالية الجودة. في بعض الحالات، يمكنك استبدال رأس المستشعر في الموقع برأس مُعاير.

هل تفضل الذهاب إلى موقعك واستبدال شريحة RH بنفسك؟ لن تتمكن من فعل ذلك أبدًا مع أجهزة الاستشعار المتطورة. ببساطة، لا يمكنك الحصول على أداء عالي الجودة من شريحة قابلة للاستبدال في الموقع.

ما هو جهاز تسجيل البيانات الذي تستخدمه؟

تحقق دائمًا من توافق مسجل البيانات الذي ترغب في استخدامه مع المستشعر.

ما هي الظروف البيئية؟

على سبيل المثال، هل يتميز موقع المستشعر برطوبة عالية باستمرار؟ هل هناك الكثير من الغبار المتطاير؟ ماذا عن المطر المتجمد، أو تراكم الجليد، أو الثلج المتراكم أفقياً؟

من المهم فهم البيئة التي سيتم وضع المستشعر فيها.

• ستتطلب المواقع ذات الرطوبة العالية زيارات أكثر تكرارًا إما لاستبدال المستشعر أو استبدال شريحة الرطوبة النسبية، وذلك حسب نوع المستشعر.

• يُثير الغبار المتطاير مجموعة من المشاكل. فتراكم الغبار على غطاء مزود بمروحة شفط أو غطاء متعدد الألواح سيؤدي إلى اختلال درجة الحرارة في الأيام المشمسة الساطعة. كما أن الغبار سيسد مادة الترشيح.

• ستختلّ دقة قياسات المستشعر بعد تغطية الدرع متعدد الألواح أو الدرع المزود بمروحة بالجليد أو تراكم الثلج عليه. في هذه الحالة، يقيس المستشعر البيئة داخل الدرع وليس خارجه.