Como funciona o sensor de temperatura e umidade?

Você sabia que a capacidade do seu corpo de se resfriar do ambiente depende da temperatura e da umidade? Seja para humanos, plantas ou alimentos, o uso de sensores de temperatura e umidade ambiental é essencial para manter o conforto. A temperatura e a umidade controlam as condições internas e são cruciais para detectar as condições climáticas. Da mesma forma, o setor agrícola as utiliza para detectar o crescimento de fungos ou doenças nas plantas.

A relação entre temperatura e umidade nos ajuda a entender o funcionamento interno do sensor. Dependendo do tipo de sensor escolhido, existem diversas maneiras de detectar as condições ambientais. Neste blog, vamos descobrir como esses sensores funcionam e suas aplicações em diversos contextos domésticos e comerciais. Além disso, explicaremos a saída desses sensores e o processo de calibração.

Relação entre temperatura e umidade

A temperatura e a umidade estão diretamente relacionadas à habitabilidade de humanos e plantas. No entanto, elas são cruciais para o controle de parâmetros de processo em aplicações industriais. Vamos analisar a ciência por trás da temperatura e da umidade, pois é essencial compreender como os sensores funcionam:

◀ Temperatura: Quente ou Fria?

A temperatura é uma avaliação quantitativa do grau de calor ou frio do ambiente. Em nível atômico, ela representa a energia cinética média dos átomos vibrando e colidindo uns com os outros. Sensores de temperatura são usados ​​diariamente para cozinhar, refrigerar, aquecer ar e para previsão do tempo.

◀ Temperatura e calor

A transferência de calor sempre ocorre de um objeto quente para um objeto frio. Os átomos que se movem rapidamente em um objeto quente colidem com os átomos que se movem lentamente em um objeto frio, causando a transferência de calor. A temperatura é fundamental para a compreensão dos modos de transferência de calor, como condução, convecção e radiação.

◀ Escalas de temperatura

A medição quantitativa da temperatura depende da escala escolhida. Existem principalmente três escalas para medir a temperatura:

● Celsius (°C)

● Fahrenheit (°F)

● Kelvin (K)

◀ Umidade: Água no ar

Você já tomou um banho de vapor? Ou teve a sensação de estar tomando um em meio a um nevoeiro denso? Em ambos os casos, a umidade no ambiente chega a 95% ou 100%. Por definição, umidade é a quantidade de vapor de água presente no ar. O aumento da umidade do ar ou a formação de nevoeiro denso podem ser resultado de mudanças repentinas na temperatura ambiente.

◀ Tipos de Umidade

A medição da umidade depende do tipo. Existem duas maneiras principais de medir a umidade, e cada tipo tem suas aplicações.

● Umidade absoluta: A massa de água em um volume específico de ar. Sua unidade de medida é g/ ^m³ .

● Umidade Relativa: A umidade relativa é a quantidade máxima de vapor de água que o ar pode reter a uma temperatura específica. É a unidade padrão para medição de umidade, representada em porcentagem (UR%).

◀ Percepção da temperatura com base na umidade

Humanos, animais e plantas percebem a umidade e a temperatura de maneiras diferentes. Os humanos dependem da transpiração para manter o corpo fresco. Os animais usam outros métodos para se refrescar, como o ato de esfregar o corpo no chão e a presença de pelos. As plantas utilizam a transpiração para se manterem frescas. No entanto, os processos de transpiração são diretamente afetados pelo nível de umidade do ar. Se a umidade for de 100%, o processo de troca de calor cessa.

Para incorporar esse efeito, desenvolvemos uma escala chamada índice de umidade. Trata-se de um limite determinado por cientistas, a partir do qual o estresse térmico começa a ocorrer. Essa é a principal razão pela qual sensores de temperatura e umidade estão sempre presentes juntos em sistemas de ar condicionado.

Função dos sensores de temperatura e umidade

Sensores de temperatura e umidade, em conjunto, detectam, medem e informam a umidade e o grau de calor ou frio. Existem diversos tipos de sensores de temperatura e umidade disponíveis, e seu uso depende principalmente da aplicação.

▍ Diferentes tipos de sensores de temperatura

● Termistores NTC

NTC significa Coeficiente de Temperatura Negativo. À medida que a temperatura aumenta, a resistência do termistor diminui. Devido ao seu comportamento não proporcional, a precisão e a exatidão dos termistores NTC eram difíceis de controlar. No entanto, os circuitos digitais modernos superaram esse problema e, agora, os termistores NTC oferecem um coeficiente de sensibilidade à temperatura cerca de 10 vezes maior que o dos RTDs (termistores de temperatura resistivos) mais comuns. A faixa de medição dos termistores NTC é de -55 °C a +200 °C.

● Detectores de temperatura resistivos (RTDs)

O RTD é um sensor de temperatura que utiliza a resistência para medir a temperatura. A resistência em um RTD é diretamente proporcional à temperatura ambiente. Ele consiste em um fio fino enrolado em torno de um núcleo de vidro ou cerâmica. Dependendo da precisão do sensor, o RTD pode ter três ou quatro fios de platina enrolados em torno de um núcleo. Medimos continuamente a resistência ao longo desse fio, que aumenta com a temperatura. Os RTDs podem responder a mudanças de temperatura em 0,5 a 5 segundos, o que os torna ideais para aplicações em larga escala. A faixa de medição dos RTDs é de -200 a 600 °C.

● Termopares

Os sensores de termopar utilizam o efeito Seebeck para medir a temperatura. Dois metais diferentes são unidos em uma extremidade, que é aquecida. A outra extremidade dos metais é conectada a uma junção fria mantida a uma temperatura de referência. Um voltímetro mede a variação de tensão entre os dois fios, representando a temperatura. Existem muitos tipos de termopares, como os tipos K, J, N, R, S, B, T e E. Cada um deles possui uma faixa de tolerância específica e um código de cores. Alguns tipos podem medir de 0 a 1600 °C.

● Sensores baseados em semicondutores

Sensores de temperatura que utilizam semicondutores dependem da junção PN. Quando um circuito aplica uma polarização direta à junção PN, o sensor semicondutor entra em ação. Isso faz com que uma corrente flua diretamente proporcional à temperatura, tornando esses sensores de temperatura ideais para eletrônica. Sua faixa de medição é tipicamente entre -55 °C e +150 °C.

▍ Diferentes tipos de sensores de umidade

● Sensores capacitivos de umidade

A capacitância é a propriedade de um material de armazenar corrente elétrica. No entanto, a capacidade de armazenar corrente pode variar dependendo do teor de umidade do ar. Materiais que alteram a capacitância com a umidade são chamados de dielétricos higroscópicos. Um sensor capacitivo de umidade utiliza uma configuração semelhante a um sanduíche. O dielétrico fica entre dois eletrodos. Um dos eletrodos é poroso para permitir a passagem da umidade. A diferença de potencial entre os eletrodos e a carga armazenada no dielétrico representam sua capacitância. Ele pode fornecer a umidade relativa (UR) em porcentagem.

● Sensores de umidade resistivos

Um material higroscópico, como o sal, é colocado entre dois eletrodos para formar um sensor resistivo de umidade. À medida que a umidade aumenta, a resistência do circuito muda, fornecendo diretamente a umidade relativa do ar.

● Sensores de Umidade Térmica

A umidade absoluta, ou seja, a presença total de água no ar independentemente da temperatura, é calculada utilizando sensores térmicos de umidade. Dois sensores de temperatura formam, em conjunto, um sensor térmico de umidade. Um dos sensores de temperatura é exposto diretamente à umidade, enquanto o outro permanece seco. A comparação da condutividade térmica entre os sensores seco e úmido fornece a umidade absoluta.

Como funcionam os sensores de temperatura e umidade ?

A saída de todos os sensores é tensão, corrente ou capacitância. Esses valores são apenas números até serem processados, filtrados e amplificados até que a qualidade do sinal seja adequada para a aquisição de dados. Para melhor compreensão, podemos dividir o funcionamento dos sensores de temperatura e umidade em 5 etapas:

1. Calibração

Calibração e padronização são processos interdependentes. Cada sensor pode apresentar uma leitura única, dependendo do processo de fabricação e das características do material. Portanto, é fundamental garantir a precisão das leituras do sensor. Um instrumento ou dispositivo de alta precisão é um padrão de referência para todos os sensores de temperatura e umidade em produção. O dispositivo deve ser rastreável a especificações nacionais ou internacionais para assegurar precisão e consistência.

2. Condicionamento de Sinal

Nesse processo, são aplicadas técnicas de filtragem, amplificação ou outras técnicas de processamento de sinal para garantir a precisão do resultado obtido.

3. Conversão Analógica para Digital

A saída de um sensor de umidade ou temperatura pode ser corrente, tensão ou capacitância. É essencial converter esse sinal em um sinal digital, que então poderá ser enviado ao sistema de processamento. Os conversores analógico-digitais (ADCs) às vezes são incorporados ao sensor ou dentro do dispositivo de processamento de dados.

4. Processamento de Dados

Um microprocessador ou dispositivo computacional converte os dados em valores perceptíveis de temperatura e umidade.

5. Conversão de Unidades

Por fim, o sistema converte os valores para as unidades desejadas pelo usuário, como Fahrenheit, Celsius, Kelvin, umidade relativa (%) ou umidade absoluta (g/m³ ^).).

Indústrias que utilizam sensores de temperatura e umidade

♦ Aplicações de sensores de temperatura e umidade

● Agricultura (monitoramento de culturas, irrigação)

● Assistência médica (conforto do paciente, armazenamento de medicamentos)

● Sistemas de climatização (eficiência energética, conforto)

● Meteorologia (previsão do tempo)

● Indústria Alimentícia (controle de qualidade, armazenamento)

♦ Tipos de sensores com base na aplicação

➔ Sensor de umidade foliar

Sensores capacitivos de umidade são essenciais para a indústria agrícola, fornecendo dados cruciais para otimizar o manejo de culturas e prevenir surtos de doenças. O sensor tem o formato de uma folha. A constante dielétrica se altera conforme a umidade ou água se acumula na superfície da folha. Essa variação na capacitância dielétrica se converte diretamente em valores de umidade que podem auxiliar na prevenção de doenças, no manejo da irrigação, na previsão de geadas e na seleção do momento ideal para a pulverização.

➔ Sensor de temperatura e umidade atmosférica

Esses sensores são voltados principalmente para o setor meteorológico, mas também podem ser usados ​​em outros setores industriais. Consistem basicamente em um material protetor com índice de proteção IP (ingresso de água e poeira). A carcaça protetora pode abrigar múltiplos sensores, como os de temperatura, umidade e pressão. A faixa de detecção de temperatura é de -40 a 60 °C. A de umidade varia de 0 a 100% e a de pressão, de 10 a 110 kPa. São úteis para detecção e previsão do tempo.

➔ Sensor de temperatura e umidade do sistema HVAC

Em sistemas de ar condicionado, os sensores de temperatura e umidade desempenham um papel vital na manutenção da habitabilidade para os moradores. Os seres humanos se sentem confortáveis ​​entre 22 °C e 27 °C e com umidade relativa entre 40% e 60%. Os sensores de temperatura e umidade do sistema HVAC garantem que o sistema de ventilação se ajuste à demanda de resfriamento e aquecimento ou aumente o teor de umidade com base nas suas detecções.

Conclusão

A invenção dos computadores e microprocessadores provocou uma mudança global significativa. Os modernos sensores de temperatura e umidade utilizam tecnologia digital para aprimorar sua capacidade de detecção e fornecer resultados precisos. Da agricultura e saúde aos processos industriais e monitoramento ambiental, esses sensores desempenham um papel fundamental para garantir condições ideais e proteger a saúde humana. Com o avanço da tecnologia, esperamos que essas tecnologias se transformem ainda mais, aprimorando-as.