ما هي أجهزة استشعار الرطوبة وما استخداماتها؟

هل تعلم أن محطات الفضاء والهواتف الذكية ومراكز البيانات والمعارض الفنية ومحطات الأرصاد الجوية ومحركات الطائرات النفاثة تستخدم مستشعرات الرطوبة؟ يُعد قياس الرطوبة في البيئة أمرًا حيويًا لمراقبة سلامة الأجهزة الإلكترونية أو المعدنية. وبالمثل، تُعد مستشعرات الرطوبة ضرورية للتنبؤ بالطقس ولراحة الإنسان. لقد قطعت تقنية استشعار محتوى الماء في الهواء شوطًا طويلًا. ففي البداية، كانت تناظرية ذات دقة منخفضة، أما الآن، وبفضل الإلكترونيات الدقيقة، تصل دقة الأجهزة الحديثة ذات الأسعار المعقولة إلى ±3% من الرطوبة النسبية.

تستخدم أجهزة استشعار الرطوبة الحديثة تقنيات الاستشعار السعوية والمقاومة للكشف عن وجود الماء في الهواء. كما تستخدم بعض هذه الأجهزة طرق التوصيل الحراري لقياس الرطوبة المطلقة. وسواءً أكان الأمر يتعلق بأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، أو المنشآت الزراعية، أو الطبية، أو الأرصاد الجوية، أو الغذائية، أو الإلكترونية، فإن مراقبة الرطوبة تُسهم في حماية العمليات والمعدات والحفاظ عليها.

تهدف هذه المقالة إلى شرح أجهزة استشعار الرطوبة، واستخداماتها، واستراتيجيات الكشف عنها، وقياسها، وتطبيقاتها. فلنبدأ بالتعمق في علم أجهزة استشعار الرطوبة.

ما هو مستشعر الرطوبة؟

تقيس مستشعرات الرطوبة كمية الرطوبة في الهواء باستخدام تقنيات متنوعة، وهي ضرورية في التطبيقات الصناعية والبيئية والزراعية. وتختلف مستشعرات الرطوبة في شكلها وحجمها وتصميمها تبعًا لغرض استخدامها. فعلى سبيل المثال، يبلغ حجم أصغر مستشعر رطوبة في العالم 1.3 مم × 0.7 مم × 0.5 مم فقط.

▍ أنواع أجهزة استشعار الرطوبة

يمكن تصنيف مستشعرات الرطوبة بناءً على حجمها وتصميمها. في هذا القسم، سنحدد أنواع مستشعرات الرطوبة بناءً على آليات عملها.

1. مستشعرات الرطوبة السعوية

يشبه مستشعر الرطوبة السعوي قطعة بسكويت محشوّة. يحتوي على مادة عازلة ماصة للرطوبة في المنتصف تمتص الرطوبة من الهواء المحيط. توجد صفيحتان موصلتان أعلى وأسفل هذه المادة العازلة. تزداد سعة هذه المادة كلما امتصت المزيد من الرطوبة. هذه هي أكثر أنواع مستشعرات الرطوبة شيوعًا.

2. مستشعرات الرطوبة المقاومة

يستخدم هذا الجهاز مادة تتغير موصليتها أو مقاومتها عند تعرضها لرطوبة عالية. ويمثل ازدياد أو نقصان موصلية المادة نسبة الرطوبة في الهواء. ويقوم المصنعون بمعايرة هذه الحساسات في بيئة مضبوطة لضمان دقة التشغيل.

3. مجسات الرطوبة الحرارية

يتكون مستشعر الرطوبة الحراري من جزأين: جزء جاف وجزء رطب. يقوم المستشعر بتسخين الجزء الرطب المتأثر بالهواء المحيط، ويسجل معدل تبديد الحرارة. كلما زادت الرطوبة في المحيط، زادت سرعة تبديد الحرارة. يوفر هذا المستشعر رطوبة مطلقة، على عكس الرطوبة النسبية التي توفرها المستشعرات السعوية والمقاومة.

▍ كيف تختلف أجهزة استشعار الرطوبة عن أجهزة الاستشعار البيئية الأخرى؟

توفر أجهزة الاستشعار البيئية الأخرى، مثل مستشعرات درجة الحرارة والضغط والضوء وسرعة الرياح، معلوماتٍ عن الخصائص العامة للهواء. وتعمل هذه الأجهزة وفق مبادئ مختلفة، كالإجهاد الميكانيكي، وتشتت الضوء، والمواد المقاومة للحرارة، أو التفاعلات الكيميائية. وفي الوقت نفسه، يستخدم مستشعر الرطوبة مواد حساسة للكشف عن نسبة الرطوبة في الهواء.

كيف تعمل أجهزة استشعار الرطوبة؟

تحتاج مستشعرات الرطوبة إلى القدرة على امتصاص الرطوبة من الهواء لكي تتمكن من رصدها. وتستخدم في ذلك مواد مختلفة مثل الأملاح المسترطبة والبوليمرات وأكاسيد المعادن. في هذا القسم، سنتناول بالتفصيل كيفية امتصاصها للرطوبة.

♦ العلم الكامن وراء امتصاص الماء في أجهزة استشعار الرطوبة

• الأملاح المسترطبة

يمكن للملح (مثل كلوريد الليثيوم أو كلوريد الصوديوم) امتصاص الرطوبة من الهواء. تسمح له بنيته الكيميائية بجذب الماء والاحتفاظ به. تستخدم التصاميم القديمة، مثل مقاييس الرطوبة ذات البصيلة الرطبة، الأملاح المسترطبة لقياس الرطوبة. يدوم مستشعر الرطوبة القائم على الملح المسترطب عادةً من ستة أشهر إلى بضع سنوات. يُستخدم الملح المسترطب على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية لكل من مستشعرات الرطوبة المقاومة والسعوية.

• البوليمرات

تُستخدم البوليمرات في أجهزة استشعار الرطوبة طويلة الأمد. لا تتطلب هذه الأجهزة إعادة معايرة متكررة، وتظل مستقرة في مواجهة معظم ملوثات الهواء. كما أنها تستجيب بسرعة وتوفر دقة عالية ضمن نطاق واسع من الرطوبة النسبية يتراوح بين 0 و100%. ويمكن أن تدوم هذه الأجهزة ما بين 5 و10 سنوات.

• أكاسيد المعادن

تُعدّ مستشعرات الرطوبة القائمة على أكاسيد المعادن من الأنواع السعوية القياسية. تتكون هذه المستشعرات من طبقة رقيقة من أكسيد المعدن (مثل Al₂O₃، TiO₂، ZnO) موضوعة بين قطبين كهربائيين لتشكيل سعة كهربائية. تتميز هذه المستشعرات بثباتها في درجات الحرارة العالية ومقاومتها الكيميائية الممتازة، ويمكن أن تدوم حتى 15 عامًا.

♦ المكونات الرئيسية لجهاز استشعار الرطوبة

يتكون مستشعر الرطوبة السعوي النموذجي من ثلاثة مكونات رئيسية: القطب العلوي، والطبقة الرقيقة من البوليمر، والقطب السفلي، والركيزة الزجاجية التي تُثبّت المكونات معًا. أما إذا كان من النوع المقاوم، فإنه يحتوي على مادة ماصة للرطوبة تتغير مقاومتها تبعًا لامتصاصها.

ما الذي ترصده أجهزة استشعار الرطوبة؟

كما ذكرنا سابقاً، تستطيع أجهزة استشعار الرطوبة الكشف عن الرطوبة النسبية والمطلقة. ومع ذلك، قد تختلف أنواعها.

/ الرطوبة النسبية مقابل الرطوبة المطلقة

من الضروري فهم أن الهواء لا يستطيع الاحتفاظ بالماء بما يتجاوز حداً معيناً عند درجة حرارة محددة. فالهواء البارد لا يمكن أن يحتوي على كمية من الماء تعادل كمية الماء الموجودة في الهواء الساخن.

• الرطوبة النسبية: تُشير الرطوبة النسبية إلى محتوى الماء في الهواء، ولكنها تُعطى كنسبة مئوية. فنسبة 100% تعني أن الهواء يحتوي على أقصى كمية من الماء التي يمكنه الاحتفاظ بها عند درجة حرارة معينة. بينما تعني نسبة 50% أن الهواء يحتوي على 50% من كمية الماء التي يمكنه الاحتفاظ بها عند تلك الدرجة.
• الرطوبة المطلقة: تقيس الرطوبة المطلقة إجمالي كمية الماء في الهواء. ووحدتها هي بخار الماء لكل متر مكعب من الهواء (غ/ ^م³ ). وهي قيمة مطلقة لا تتأثر بدرجة الحرارة.

/ نقطة الندى وأهميتها

في التنبؤات الجوية، تُعدّ نقطة الندى معيارًا بالغ الأهمية لتوقع احتمالية تكوّن الندى أو الضباب أو الصقيع. نقطة الندى هي درجة الحرارة التي يتشبع عندها الهواء تمامًا بالماء، مما يؤدي إلى التكثف. على سبيل المثال، إذا كانت درجة حرارة الهواء 30 درجة مئوية ونقطة الندى 21 درجة مئوية، فإن أي سطح عند درجة حرارة 21 درجة مئوية أو أقل سيبدأ في امتصاص الرطوبة، تمامًا كما يحدث مع كوب الماء البارد. وهي معيار حيوي للزراعة، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، والطيران، والتنبؤات الجوية.

كيف تقيس أجهزة استشعار الرطوبة نسبة الرطوبة في الهواء؟

نعرف المبدأ الأساسي لأجهزة استشعار الرطوبة، التي تكشف عن الرطوبة في الهواء. ولكن لفهم كيفية عمل هذه الأجهزة بشكل كامل، نحتاج إلى معرفة كيف تحول هذه المعايير الفيزيائية إلى كيانات قابلة للقياس مثل التيار أو الإشارة.

★ الخصائص الكهربائية وقياس الرطوبة

• النوع المقاوم: تتغير مقاومة المادة المسترطبة عند امتصاصها للماء. تكتشف المستشعرات هذه التغيرات وتحولها إلى جهد تناظري (على سبيل المثال، 0-5 فولت، 0-10 فولت).
• النوع السعوي: تتغير سعة المستشعر عند تعرضه لامتصاص الرطوبة من الهواء. ثم تُحوّل هذه السعة إلى إشارة خرج تناظرية قابلة للقياس (مثل 0-5 فولت، 0-10 فولت، أو 4-20 مللي أمبير).

★ إشارات خرج المستشعر وتفسير البيانات

تأتي البيانات الواردة مباشرةً من مستشعرات الرطوبة عادةً على شكل إشارات كهربائية. ويمكن للمستخدمين معالجة هذه الإشارات بتحويلها إلى إشارات رقمية باستخدام متحكم دقيق، مثل RS485 (MODBUS) أو I2C أو SDI-12. بعد ذلك، يمكن لأجهزة الحوسبة الرقمية استقبال هذه البيانات لتسجيلها وعرضها. ويمكن استخدام هذه البيانات نفسها كمعايير تحكم لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) وغيرها من تطبيقات التحكم في الرطوبة.

★ العوامل المؤثرة على دقة القياس

بسبب تصميمها، تُعدّ بعض مستشعرات الرطوبة عرضةً للانحراف وتلف المواد. مع ذلك، قد تتسبب الملوثات البيئية ومشاكل التركيب أيضًا في عدم دقة القياس. من الضروري التأكد من تشغيل مستشعر الرطوبة ضمن حدود تصميمه ومعايرته وفقًا لإرشادات الشركة المصنعة. في حال تقادمه، قد يحتاج إلى استبدال.

تطبيقات واستخدامات أجهزة استشعار الرطوبة

● إدارة الزراعة والبيوت الزجاجية

تُعدّ أجهزة استشعار الرطوبة، التي تُشكّل جزءًا من أنظمة التحكم في المناخ لتعزيز النمو البيولوجي، مفيدةً لإدارة البيوت الزجاجية. تُمكّن هذه الأجهزة من تقييم مستويات الرطوبة في التربة وفي الهواء. ويستخدم المزارعون تعديلات أنظمة المياه والتهوية لتحسين إنتاج المحاصيل.

أمثلة على أجهزة استشعار الرطوبة الزراعية:

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي RK330-01

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة المحيطية المثبت على الحائط RK330-02

✔ مستشعر رطوبة الأوراق RK300-04 (لمراقبة صحة النبات المتعلقة بالرطوبة)

● أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وأتمتة المباني

تستخدم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) مستشعرات الرطوبة للحفاظ على بيئة مريحة للسكان. سواءً كان الأمر يتعلق بحماية الحياة البرية داخل المباني أو في أماكن مخصصة للسكن، فإن الحفاظ على مستويات الرطوبة ضمن النطاق المريح أمر بالغ الأهمية. يتراوح النطاق المريح لمعظم البشر بين 22 و27 درجة مئوية، ورطوبة نسبية تتراوح بين 40% و60%. وبناءً على بيانات هذه المستشعرات، تقوم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء بزيادة أو تقليل الرطوبة.

أمثلة على أجهزة استشعار الرطوبة لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء:

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة RK330-04 لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة المحيطية المثبت على الحائط RK330-02

● تخزين الأدوية والمستحضرات الطبية

يُعدّ رصد مناطق تخزين الأدوية أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات الطبية. فإذا تغيّرت جودة الأدوية، فقد تفقد فعاليتها أو حتى تُصبح ضارة بالمستخدم. وبالمثل، يُعدّ التحكم في الرطوبة أثناء تصنيع هذه الأدوية أمرًا بالغ الأهمية لضمان جودة المنتج.

أمثلة على أجهزة استشعار الرطوبة الطبية:

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة المحيطية المثبت على الحائط RK330-02

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي RK330-01

● الأرصاد الجوية والتنبؤات الجوية

في تطبيقات الأرصاد الجوية، تُساعد أجهزة استشعار الرطوبة في التنبؤ بالأحوال الجوية. كما تُوفر محطات الأرصاد الجوية البعيدة تحليلاً معمقاً لتغيرات الطقس، مثل الضباب والهطول ونقطة الندى، لتحسين التنبؤات الجوية وفهم أحوال الطقس.

أمثلة على أجهزة استشعار الرطوبة الجوية:

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي RK330-01

✔ مستشعر درجة الحرارة المحيطة RK310-01

● تصنيع الإلكترونيات ومراكز البيانات

في مجال الإلكترونيات، يمكن للرطوبة أن تزيد من عملية الأكسدة وتتلف المكونات. كما أن الرطوبة الزائدة قد تؤدي إلى التآكل، والدوائر القصيرة، وتعطل الأجزاء الإلكترونية الحساسة.

أمثلة على أجهزة استشعار الرطوبة في المصانع ومراكز البيانات:

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة المحيطية المثبت على الحائط RK330-02

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي RK330-01

● معالجة وتخزين الأغذية

يرتبط الحفاظ على جودة المنتج ومنع تلفه ارتباطًا وثيقًا بمستويات الرطوبة. قد تتطلب بعض الأطعمة مستويات رطوبة أعلى، بينما تبقى أخرى طازجة في ظروف رطوبة منخفضة. على سبيل المثال، تزدهر الخضراوات الورقية في بيئات عالية الرطوبة لتجنب الذبول والجفاف. في المقابل، تحتاج المواد الغذائية الجافة مثل الحبوب إلى رطوبة منخفضة لتجنب نمو العفن وتلفها.

أمثلة على أجهزة استشعار الرطوبة المستخدمة في معالجة وتخزين الأغذية:

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة المحيطية المثبت على الحائط RK330-02

✔ مستشعر درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي RK330-01

خاتمة

تتزايد أهمية أجهزة استشعار الرطوبة في الصناعة والزراعة. تتنوع هذه الأجهزة بين السعوية والمقاومة والحرارية، لكنها جميعًا تراقب نسبة الماء في الهواء. ويضمن الحفاظ على الرطوبة الجودة والاستدامة والإنتاجية للإنسان والآلات والحياة البرية والمحاصيل.

مع التطور السريع للتكنولوجيا، تم تصغير مستشعرات الرطوبة إلى حجم حبة ملح. وتساهم زيادة الدقة، وإطالة العمر الافتراضي، ودمج مستشعرات الرطوبة في أجهزة إنترنت الأشياء في تحديثها بشكل سريع.

إذا كنت تبحث عن مستشعرات عالية الدقة بأحدث إمكانيات الإخراج، فضع في اعتبارك مستشعرات ريكا. نوفر دقة تصل إلى ±3% في قياس الرطوبة النسبية، ودقة تصل إلى ±0.5 درجة مئوية في قياس درجة الحرارة، ودقة تصل إلى ±1 هكتوباسكال في قياس الضغط. تُعد هذه المستشعرات مثالية للعديد من التطبيقات في مجالات الأرصاد الجوية والزراعة والصناعة. تشمل مخرجاتها (4-20 مللي أمبير، 0-5 فولت، 0-10 فولت، RS485 MODBUS) بتصاميم متينة تدوم طويلًا (عمر افتراضي من 5 إلى 10 سنوات). تفضل بزيارة موقعنا الإلكتروني للاطلاع على المجموعة الكاملة من مستشعرات الرطوبة المناسبة لجميع التطبيقات.

الأسئلة الشائعة (FAQs)

1. هل تعتبر نسبة الرطوبة 70% نسبة عالية؟

تتراوح نسبة الرطوبة النسبية المثالية للأجواء الداخلية بين 40% و60%. مع ذلك، قد لا تُعتبر هذه النسبة عالية بالنسبة لبعض النباتات في البيوت الزجاجية أو في تطبيقات حفظ الأغذية. أما نسبة 70% فتُعتبر عالية بالنسبة للبيئة البشرية، إذ قد تؤدي إلى تكثف الرطوبة على النوافذ وتغيير الإحساس بدرجة الحرارة.

2. كم مرة يجب على المستخدمين معايرة مستشعر الرطوبة؟

تتطلب مستشعرات الرطوبة المختلفة معايرةً وفقًا لنوعها. فالمستشعرات السعوية تحتاج إلى معايرة سنوية، بينما تحتاج مستشعرات الرطوبة المقاومة إلى فحص مرة واحدة على الأقل كل ستة إلى اثني عشر شهرًا. أما مستشعرات التوصيل الحراري، فيجب معايرتها سنويًا. ويُعدّ اتباع إرشادات الشركة المصنّعة للمستشعر أمرًا بالغ الأهمية لتحديد نطاق المعايرة الأمثل.

3. هل يمكن لأجهزة استشعار الرطوبة أن تعمل في درجات الحرارة القصوى؟

نعم، يمكن لأجهزة استشعار الرطوبة العمل في ظروف تصل درجة حرارتها إلى 200 درجة مئوية. وتوفر أجهزة استشعار الرطوبة السعوية، التي تستخدم البوليمر كمادة ماصة للرطوبة، أعلى نطاق تشغيل. فهي قادرة على العمل في درجات حرارة قصوى مع الحفاظ على دقة جيدة للتحكم والقياس.