كيف يعمل مستشعر درجة الحرارة والرطوبة؟

هل تعلم أن قدرة جسمك على تبريد نفسه من البيئة المحيطة تعتمد على درجة الحرارة والرطوبة؟ سواءً كان الأمر يتعلق بالبشر أو النباتات أو الطعام، فإن استخدام مستشعر درجة الحرارة والرطوبة ضروري للحفاظ على الراحة. تتحكم درجة الحرارة والرطوبة في ظروف الأماكن المغلقة، وهما عاملان حاسمان في رصد الأحوال الجوية. وبالمثل، يستخدم القطاع الزراعي هذه التقنيات للكشف عن نمو الفطريات أو الأمراض في النباتات.

تساعدنا العلاقة بين درجة الحرارة والرطوبة على فهم آلية عمل المستشعر. وبحسب نوع المستشعر المُختار، توجد عدة طرق لاستشعار الظروف البيئية. في هذه المدونة، سنتعرف على كيفية عمل هذه المستشعرات وتطبيقاتها في مختلف الاستخدامات المنزلية والتجارية. كما سنشرح مخرجات هذه المستشعرات وعملية معايرتها.

العلاقة بين درجة الحرارة والرطوبة

ترتبط درجة الحرارة والرطوبة ارتباطًا مباشرًا بصلاحية الإنسان والنباتات للعيش. ومع ذلك، فهما عنصران حاسمان في التحكم بمعايير العمليات في التطبيقات الصناعية. دعونا نلقي نظرة على العلم الكامن وراء درجة الحرارة والرطوبة، إذ يُعدّ فهم كيفية عمل أجهزة الاستشعار أمرًا أساسيًا.

◀ درجة الحرارة: ساخنة أم باردة؟

درجة الحرارة هي مقياس كمي لدرجة سخونة أو برودة البيئة. على المستوى الذري، تمثل متوسط ​​الطاقة الحركية للذرات المهتزة والمتصادمة. تُستخدم مجسات الحرارة يوميًا في الطهي والتبريد وتكييف الهواء ورصد الأحوال الجوية.

◀ درجة الحرارة والحرارة

يحدث انتقال الحرارة دائمًا من جسم ساخن إلى جسم بارد. تتصادم الذرات سريعة الحركة في الجسم الساخن مع الذرات بطيئة الحركة في الجسم البارد، مما يؤدي إلى انتقال الحرارة. تُعدّ درجة الحرارة عاملًا حاسمًا في فهم أنماط انتقال الحرارة، مثل التوصيل والحمل الحراري والإشعاع.

◀ مقاييس درجة الحرارة

يعتمد قياس درجة الحرارة كمياً على المقياس الذي نختاره. توجد ثلاثة مقاييس رئيسية لقياس درجة الحرارة:

● درجة مئوية (°C)

● فهرنهايت (°F)

● كلفن (K)

◀ الرطوبة: الماء في الهواء

هل سبق لك أن جربت حمام البخار؟ أو هل شعرت وكأنك تستحم في ضباب كثيف؟ في كلتا الحالتين، تصل نسبة الرطوبة في الجو إلى 95% أو 100%. الرطوبة، بحسب تعريفها، هي كمية بخار الماء في الهواء. ويمكن أن ينتج ارتفاع نسبة الرطوبة أو تكوّن الضباب الكثيف عن تغيرات مفاجئة في درجة حرارة الجو.

◀ أنواع الرطوبة

يعتمد قياس الرطوبة على نوعها. هناك طريقتان رئيسيتان لقياس الرطوبة، ولكل نوع استخداماته الخاصة.

● الرطوبة المطلقة: كتلة الماء في حجم محدد من الهواء. وحدة قياسها هي جم/ ^م³ .

● الرطوبة النسبية: هي أقصى كمية من بخار الماء يمكن أن يحملها الهواء عند درجة حرارة معينة. وهي الوحدة القياسية لقياس الرطوبة، وتُعبَّر عنها بنسبة مئوية (RH%).

◀ إدراك درجة الحرارة بناءً على الرطوبة

يُدرك البشر والحيوانات والنباتات الرطوبة ودرجة الحرارة بطرق مختلفة. يعتمد البشر على عملية التعرّق لتبريد أجسامهم. وتستخدم الحيوانات وسائل أخرى للتبريد، مثل التعرّق ووجود الفراء. أما النباتات فتستخدم النتح لتبريدها. ومع ذلك، تتأثر عملية التعرّق والنتح بشكل مباشر بمستوى رطوبة الهواء. فإذا بلغت الرطوبة 100%، تتوقف عملية تبادل الحرارة.

ولإدراج هذا التأثير، ابتكرنا مقياسًا يُسمى مؤشر الرطوبة. وهو عتبة يحددها العلماء يبدأ عندها الإجهاد الحراري بالظهور. وهذا هو السبب الرئيسي لوجود أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة معًا دائمًا في أنظمة تكييف الهواء.

دور أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة

تقوم أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة، مجتمعةً، بالكشف عن الرطوبة ودرجة الحرارة أو البرودة وقياسها والإبلاغ عنها. تتوفر أنواع متعددة من أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة، ويعتمد استخدامها بشكل أساسي على التطبيق.

▍ أنواع مختلفة من مجسات درجة الحرارة

● الثرمستورات NTC

يشير اختصار NTC إلى معامل درجة الحرارة السالب. مع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض المقاومة عبر الثرمستور. ونظرًا لسلوكها غير المتناسب، كان من الصعب تحقيق دقة وفعالية قياسات NTC. إلا أن الدوائر الرقمية الحديثة تغلبت على هذه المشكلة، وأصبح NTC يوفر الآن معامل حساسية حرارية أفضل، يصل إلى عشرة أضعاف معامل حساسية RTDs الشائعة. ويتراوح نطاق قياس ثرمستورات NTC بين -55 و+200 درجة مئوية.

● أجهزة الكشف عن درجة الحرارة المقاومة (RTDs)

مستشعر درجة الحرارة المقاوم (RTD) هو مستشعر يستخدم المقاومة لقياس درجة الحرارة. تتناسب المقاومة في مستشعرات RTD طرديًا مع درجة حرارة البيئة المحيطة. يتكون المستشعر من سلك رفيع ملفوف حول قلب زجاجي أو خزفي. اعتمادًا على دقة المستشعر، قد يحتوي مستشعر RTD على ثلاثة أو أربعة أسلاك من البلاتين ملفوفة حول القلب. نقيس باستمرار المقاومة عبر هذا السلك، والتي تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة. يستجيب مستشعر RTD لتغيرات درجة الحرارة في غضون 0.5 إلى 5 ثوانٍ، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات واسعة النطاق. يتراوح نطاق قياس مستشعرات RTD بين -200 و600 درجة مئوية.

● المزدوجات الحرارية

تستخدم مجسات المزدوجات الحرارية تأثير سيبك لقياس درجة الحرارة. يتصل معدنان مختلفان عند أحد طرفيهما، والذي يتم تسخينه. أما الطرف الآخر من المعدنين فيتصل بوصلة باردة تُحافظ على درجة حرارة مرجعية. يقيس الفولتميتر التغير في الجهد بين السلكين، والذي يمثل درجة الحرارة. توجد أنواع عديدة من المزدوجات الحرارية، مثل K وJ وN وR وS وB وT وE. لكل نوع منها نطاق تحمل محدد وتشفير لوني. بعض الأنواع قادرة على قياس درجات حرارة تتراوح بين 0 و1600 درجة مئوية.

● أجهزة الاستشعار القائمة على أشباه الموصلات

تعتمد مستشعرات درجة الحرارة التي تستخدم أشباه الموصلات على وصلة PN. عند تطبيق انحياز أمامي على هذه الوصلة، يعمل مستشعر أشباه الموصلات بكفاءة عالية، مما يؤدي إلى تدفق تيار يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة، الأمر الذي يجعل هذه المستشعرات مثالية للاستخدام في الإلكترونيات. ويتراوح نطاق قياسها عادةً بين -55 درجة مئوية و+150 درجة مئوية.

▍ أنواع مختلفة من أجهزة استشعار الرطوبة

● مستشعرات الرطوبة السعوية

السعة الكهربائية هي خاصية المادة في تخزين التيار الكهربائي. إلا أن قدرة المادة على تخزين التيار قد تتغير تبعًا لمحتوى الرطوبة في الهواء. تُسمى المواد التي تتغير سعتها الكهربائية بالمواد العازلة المسترطبة. يستخدم مستشعر الرطوبة السعوي بنية تشبه البسكويت، حيث توضع المادة العازلة بين قطبين كهربائيين. أحد القطبين مساميّ للسماح بمرور الرطوبة. يمثل فرق الجهد عبر العنصر والشحنة المخزنة داخل المادة العازلة سعتها الكهربائية، ويمكنه قياس الرطوبة النسبية كنسبة مئوية.

● مستشعرات الرطوبة المقاومة

تُوضع مادة ماصة للرطوبة، كالملح مثلاً، بين قطبين كهربائيين لتشكيل مستشعر رطوبة مقاوم. ومع ازدياد الرطوبة، تتغير مقاومة الدائرة، مما يوفر مباشرةً قياس الرطوبة النسبية في الهواء.

● مستشعرات الرطوبة الحرارية

تُحسب الرطوبة المطلقة، وهي إجمالي كمية الماء الموجودة في الهواء بغض النظر عن درجة الحرارة، باستخدام مجسات الرطوبة الحرارية. يتكون مجس الرطوبة الحرارية من مجسين حراريين. يتعرض أحدهما للرطوبة مباشرةً، بينما يبقى الآخر جافًا. وتُحدد الرطوبة المطلقة من خلال مقارنة التوصيل الحراري بين المجسين الجاف والرطب.

كيف تعمل أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة ؟

تُخرج جميع الحساسات إما جهدًا كهربائيًا أو تيارًا كهربائيًا أو سعةً كهربائية. هذه القيم مجرد أرقام حتى تتم معالجتها وتصفيتها وتضخيمها حتى تصبح جودة الإشارة مناسبة لجمع البيانات. لفهم ذلك، يمكننا تقسيم آلية عمل حساسات درجة الحرارة والرطوبة إلى خمس خطوات:

1. المعايرة

المعايرة والتوحيد القياسي متلازمان. فكل مستشعر قد يُعطي قراءة فريدة تبعًا لعملية التصنيع وخصائص المواد. لذا، من الضروري التأكد من دقة قراءة المستشعر. ويُعدّ الجهاز عالي الدقة معيارًا لجميع مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة قيد الإنتاج. ويمكن تتبع الجهاز وفقًا للمواصفات الوطنية أو الدولية لضمان الدقة والاتساق.

2. تهيئة الإشارة

هنا، يتم تطبيق الترشيح أو التضخيم أو جميع تقنيات معالجة الإشارات الأخرى لضمان دقة نتيجة الإخراج.

3. التحويل من تناظري إلى رقمي

يُخرج مستشعر الرطوبة أو الحرارة إشارةً إما تيارًا كهربائيًا أو جهدًا كهربائيًا أو سعةً كهربائية. ومن الضروري تحويل هذه الإشارة إلى إشارة رقمية، والتي يمكن إدخالها بعد ذلك إلى نظام المعالجة. تُدمج محولات الإشارة التناظرية إلى الرقمية أحيانًا في المستشعر أو داخل جهاز معالجة البيانات.

4. معالجة البيانات

يقوم المعالج الدقيق أو الجهاز الحسابي بتحويل البيانات إلى قيم قابلة للإدراك لدرجة الحرارة والرطوبة.

5. تحويل الوحدات

وأخيرًا، يقوم النظام بتحويل القيم إلى الوحدات التي يرغب بها المستخدم، مثل فهرنهايت، أو مئوية، أو كلفن، أو الرطوبة النسبية (٪)، أو الرطوبة المطلقة (جم/م³ ^).).

الصناعات التي تستخدم أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة

♦ تطبيقات أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة

● الزراعة (مراقبة المحاصيل، الري)

● الرعاية الصحية (راحة المريض، تخزين الأدوية)

● أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (كفاءة الطاقة، الراحة)

● علم الأرصاد الجوية (التنبؤ بالطقس)

● صناعة الأغذية (مراقبة الجودة، التخزين)

♦ أنواع أجهزة الاستشعار حسب التطبيق

➔ مستشعر رطوبة الأوراق

تُعدّ مستشعرات الرطوبة السعوية أساسية في القطاع الزراعي، إذ تُوفّر بيانات بالغة الأهمية لتحسين إدارة المحاصيل والوقاية من تفشي الأمراض. يأتي المستشعر على شكل ورقة شجر، ويتغير ثابت العزل الكهربائي له مع تراكم الرطوبة أو الماء على سطح الورقة. ويُترجم هذا التغير في ثابت العزل الكهربائي مباشرةً إلى قيم رطوبة تُساعد في الوقاية من الأمراض، وإدارة الري، والتنبؤ بالصقيع، واختيار التوقيت الأمثل للرش.

مستشعر درجة الحرارة والرطوبة الجوية

تستهدف هذه المستشعرات بشكل أساسي قطاع الأرصاد الجوية، ولكن يمكن استخدامها أحيانًا في قطاعات صناعية أخرى. تتكون هذه المستشعرات بشكل رئيسي من مادة واقية ذات تصنيف حماية من دخول الماء والغبار (IP). يمكن للغلاف الواقي أن يضم عدة مستشعرات، مثل مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة والضغط. يتراوح نطاق قياس درجة الحرارة بين -40 و60 درجة مئوية، والرطوبة بين 0 و100%، والضغط بين 10 و110 كيلو باسكال. تُعد هذه المستشعرات مفيدة لرصد الأحوال الجوية والتنبؤ بها.

➔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة لنظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

في أنظمة تكييف الهواء، تلعب أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة دورًا حيويًا في الحفاظ على بيئة معيشية مريحة للسكان. يشعر الإنسان بالراحة عند درجة حرارة تتراوح بين 22 و27 درجة مئوية ورطوبة نسبية تتراوح بين 40% و60%. تضمن أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) تعديل نظام التهوية وفقًا لاحتياجات التبريد والتدفئة، أو زيادة نسبة الرطوبة بناءً على البيانات التي يتم رصدها.

خاتمة

أدى اختراع الحواسيب والمعالجات الدقيقة إلى تحول عالمي كبير. تستخدم أجهزة استشعار درجة الحرارة والرطوبة الحديثة التكنولوجيا الرقمية لتعزيز قدرتها على الكشف وتقديم نتائج دقيقة. من الزراعة والرعاية الصحية إلى العمليات الصناعية والرصد البيئي، تلعب هذه الأجهزة دورًا محوريًا في ضمان الظروف المثلى وحماية صحة الإنسان. ومع تقدم التكنولوجيا، نتوقع تطورات في هذه التقنيات ستؤدي إلى مزيد من التحسين.