O que são sensores de umidade e quais são suas aplicações?

Você sabia que estações espaciais, smartphones, centros de dados, galerias de arte, estações meteorológicas e motores a jato utilizam sensores de umidade? Medir a umidade do ambiente é vital para monitorar a integridade de equipamentos eletrônicos ou metálicos. Da mesma forma, os sensores de umidade são essenciais para a previsão do tempo e o conforto humano. A tecnologia para medir o teor de água no ar evoluiu muito. Inicialmente, era analógica e com baixa precisão, mas agora, com a eletrônica de precisão, a acurácia dos instrumentos modernos e acessíveis é de ±3% UR (Umidade Relativa).

Os sensores de umidade modernos detectam a presença de água no ar usando técnicas de detecção capacitiva e resistiva. Alguns sensores também utilizam métodos de condutividade térmica para medir a umidade absoluta. Seja em instalações de climatização (HVAC), agrícolas, médicas, meteorológicas, alimentícias ou de processamento eletrônico, o monitoramento da umidade pode ajudar a proteger e preservar processos e equipamentos.

Este artigo tem como objetivo explicar os sensores de umidade, seus usos, estratégias de detecção, medição e aplicações da detecção de umidade. Vamos começar explorando a ciência por trás dos sensores de umidade.

O que é um sensor de umidade?

Sensores de umidade medem a quantidade de umidade no ar utilizando diversas técnicas. Eles são essenciais em aplicações industriais, ambientais e agrícolas. Dependendo da finalidade do usuário, os sensores de umidade podem variar em formato, tamanho e design. Por exemplo, o menor sensor de umidade do mundo mede apenas 1,3 mm x 0,7 mm x 0,5 mm.

▍ Tipos de sensores de umidade

Os sensores de umidade podem ser categorizados com base no tamanho e no design. Nesta seção, definiremos os tipos de sensores de umidade com base em seus mecanismos de funcionamento.

1. Sensores capacitivos de umidade

O sensor capacitivo de umidade é como um biscoito recheado. Ele possui um material dielétrico higroscópico no meio que absorve a umidade do ar ao redor. Duas placas condutoras ficam na parte superior e inferior do material dielétrico higroscópico. O material aumenta sua capacitância à medida que absorve mais umidade. Esses são os tipos mais comuns de sensores de umidade.

2. Sensores de Umidade Resistivos

Ele utiliza um material que altera sua condutividade ou resistência quando exposto a alta umidade. O aumento ou a diminuição da condutividade do material representa a umidade do ar. Os fabricantes calibram esses sensores em um ambiente controlado para garantir a precisão operacional.

3. Sensores de Umidade Térmica

Um sensor térmico de umidade possui duas partes: uma exposta ao ar seco e outra ao ar úmido. O sensor aquece a parte úmida, umedecida pelo ar circundante, e registra a taxa de dissipação de calor. Quanto maior a umidade no ambiente, mais rápido o calor se dissipa. Ele fornece a umidade absoluta, diferentemente da umidade relativa medida por sensores capacitivos e resistivos.

▍ Como os sensores de umidade diferem de outros sensores ambientais?

Outros sensores ambientais, como os de temperatura, pressão, luz, velocidade do vento, etc., fornecem as características gerais do ar. Eles operam com base em diferentes princípios, como tensão mecânica, dispersão da luz, material termorresistivo ou reações químicas. Ao mesmo tempo, um sensor de umidade funciona com um material sensível para detectar a umidade no ar.

Como funcionam os sensores de umidade?

Os sensores de umidade precisam da capacidade de absorver a umidade do ar para serem detectáveis. Para isso, utilizam diversos materiais, como sais higroscópicos, polímeros e óxidos metálicos. Nesta seção, vamos explorar como esses materiais absorvem a umidade.

♦ A ciência por trás da absorção de água em sensores de umidade

• Sais higroscópicos

O sal (por exemplo, cloreto de lítio ou cloreto de sódio) pode absorver a umidade do ar. Sua estrutura química permite que ele atraia e retenha água. Projetos mais antigos, como os psicrômetros de bulbo úmido, utilizam sais higroscópicos para fornecer valores de umidade. Um sensor de umidade à base de sal higroscópico normalmente dura de 6 meses a alguns anos. O sal higroscópico é comumente usado em aplicações industriais tanto para sensores de umidade resistivos quanto capacitivos.

• Polímeros

Os sensores de umidade mais duráveis ​​utilizam polímeros. Eles não precisam de recalibração frequente e permanecem estáveis ​​contra a maioria dos contaminantes do ar. Respondem mais rapidamente e oferecem precisão em uma ampla faixa de 0 a 100% de umidade relativa (UR). Sua vida útil pode variar de 5 a 10 anos.

• Óxidos metálicos

Os sensores de umidade à base de óxido metálico são do tipo capacitivo padrão. Uma fina camada de óxido metálico (por exemplo, Al₂O₃, TiO₂, ZnO) fica entre dois eletrodos, formando um capacitor. Esses sensores são estáveis ​​em altas temperaturas e oferecem excelente resistência química. Sua vida útil pode chegar a 15 anos.

♦ Componentes principais de um sensor de umidade

Um sensor de umidade capacitivo típico possui três componentes principais: o eletrodo superior, uma película fina de polímero, o eletrodo inferior e o substrato de vidro, que mantém o conjunto unido. Se for do tipo resistivo, apresentará um material higroscópico (que absorve umidade) cuja resistência varia de acordo com a absorção de umidade.

O que os sensores de umidade detectam?

Como mencionado anteriormente, os sensores de umidade podem detectar umidade relativa e absoluta. No entanto, seus tipos podem variar.

/ Umidade Relativa vs. Umidade Absoluta

É fundamental compreender que o ar não consegue reter água além de um limite específico a uma determinada temperatura. O ar frio não pode conter tanta água quanto o ar quente.

• Umidade Relativa: A umidade relativa indica o teor de água no ar. No entanto, ela expressa esse valor em porcentagem. 100% UR significa que o ar contém a quantidade máxima de água que pode reter para uma determinada temperatura. Já 50% significa que o ar contém 50% da quantidade máxima de água que pode reter para aquela temperatura.
• Umidade absoluta: A umidade absoluta mede a quantidade total de água no ar. Sua unidade é vapor de água por metro cúbico de ar (g/ ^m³ ). Ela não depende da temperatura, pois é um valor absoluto.

/ Ponto de orvalho e sua importância

Na previsão do tempo, o ponto de orvalho é um parâmetro crucial para prever a probabilidade de orvalho, nevoeiro ou geada. O ponto de orvalho é a temperatura na qual o ar fica completamente saturado de água, causando condensação. Por exemplo, se a temperatura do ar for de 30°C e o ponto de orvalho for de 21°C, qualquer superfície a 21°C ou menos começará a acumular umidade, assim como um copo de água gelada. É um parâmetro vital para a agricultura, sistemas de climatização (HVAC), aviação e previsão do tempo.

Como os sensores de umidade medem a umidade do ar?

Conhecemos o princípio básico dos sensores de umidade, que detectam a umidade no ar. No entanto, para entendermos completamente como esses sensores funcionam, precisamos ver como eles convertem esses parâmetros físicos em entidades mensuráveis, como corrente ou sinal.

★ Propriedades elétricas e medição de umidade

• Tipo resistivo: O material higroscópico altera sua resistência ao absorver água. Os sensores detectam essas alterações e as convertem em uma tensão analógica (por exemplo, 0-5V, 0-10V).
• Tipo capacitivo: A capacitância do sensor muda quando exposto à absorção de umidade do ar. Essa capacitância é então convertida em uma saída analógica mensurável (por exemplo, 0-5V, 0-10V ou 4-20mA).

★ Sinais de saída do sensor e interpretação de dados

Os dados provenientes diretamente dos sensores de umidade geralmente são sinais elétricos. Os usuários podem processar ainda mais os sinais de saída, convertendo-os em sinais digitais por meio de um microcontrolador. Estes podem ser RS485 (MODBUS), I2C ou SDI-12. A saída é então detectada por dispositivos computacionais digitais para registro e exibição de dados. A mesma aquisição de dados pode servir como parâmetro de controle para sistemas de climatização (HVAC) e outras aplicações de controle de umidade.

★ Fatores que afetam a precisão das medições

Devido ao seu projeto, alguns sensores de umidade são inerentemente propensos a desvios e degradação do material. No entanto, contaminantes ambientais e problemas de instalação também podem causar imprecisões nas medições. É fundamental garantir que o sensor de umidade opere dentro dos limites de projeto e seja calibrado de acordo com as diretrizes do fabricante. Se estiver envelhecido, pode ser necessário substituí-lo.

Aplicações e usos de sensores de umidade

● Gestão Agrícola e de Estufas

Sensores de umidade, que fazem parte de sistemas de controle climático para estimular o crescimento biológico, beneficiam o manejo de estufas. Esses dispositivos permitem avaliar os níveis de umidade tanto do solo quanto do ar. Os agricultores utilizam ajustes nos sistemas de irrigação e ventilação para otimizar a produção agrícola.

Exemplos de sensores de umidade agrícolas:

✔ Sensor de temperatura, umidade e pressão atmosférica RK330-01

✔ Sensor de temperatura e umidade ambiente para montagem na parede RK330-02

✔ Sensor de umidade foliar RK300-04 (para monitoramento da saúde das plantas relacionada à umidade)

● Sistemas de climatização (HVAC) e automação predial

Os sistemas de climatização utilizam sensores de umidade para manter zonas de conforto para os ocupantes. Seja para preservar a vida selvagem em ambientes internos ou em espaços habitados, manter os níveis de umidade dentro da zona de conforto é vital. A zona de conforto para a maioria das pessoas situa-se entre 22 °C e 27 °C, com uma umidade relativa de 40% a 60%. Com base nos dados desses sensores, os sistemas de climatização aumentam ou diminuem a umidade.

Exemplos de sensores de umidade para sistemas HVAC:

✔ Sensor de temperatura e umidade HVAC RK330-04

✔ Sensor de temperatura e umidade ambiente para montagem na parede RK330-02

● Armazenamento de produtos médicos e farmacêuticos

O monitoramento das áreas de armazenamento de medicamentos é vital em aplicações médicas. Se a qualidade dos medicamentos se alterar, eles podem se tornar ineficazes ou até mesmo prejudiciais ao usuário. Da mesma forma, o controle da umidade durante o processamento desses medicamentos é igualmente vital para garantir o controle de qualidade do produto.

Exemplos de sensores de umidade para uso médico:

✔ Sensor de temperatura e umidade ambiente para montagem na parede RK330-02

✔ Sensor de temperatura, umidade e pressão atmosférica RK330-01

● Meteorologia e Previsão do Tempo

Em aplicações meteorológicas, sensores de umidade podem auxiliar na previsão das condições climáticas. Estações meteorológicas remotas podem fornecer análises detalhadas de parâmetros climáticos variáveis, como neblina, precipitação e ponto de orvalho, para aprimorar a previsão e o monitoramento do tempo.

Exemplos de sensores de umidade meteorológica:

✔ Sensor de temperatura, umidade e pressão atmosférica RK330-01

✔ Sensor de temperatura ambiente RK310-01

● Fabricação de eletrônicos e centros de dados

Na eletrônica, a umidade pode acelerar o processo de oxidação e danificar componentes. O excesso de umidade pode levar à corrosão, curtos-circuitos e mau funcionamento de peças eletrônicas sensíveis.

Exemplos de sensores de umidade para fábricas e centros de dados:

✔ Sensor de temperatura e umidade ambiente para montagem na parede RK330-02

✔ Sensor de temperatura, umidade e pressão atmosférica RK330-01

● Processamento e armazenamento de alimentos

A manutenção da qualidade do produto e a prevenção da deterioração estão diretamente ligadas aos níveis de umidade. Alguns alimentos podem exigir níveis de umidade mais altos, enquanto outros se mantêm frescos em condições de baixa umidade. Por exemplo, verduras e legumes folhosos prosperam em ambientes com alta umidade para evitar o murchamento e a desidratação. Por outro lado, produtos secos como grãos e cereais precisam de baixa umidade para evitar o crescimento de mofo e a deterioração.

Exemplos de sensores de umidade para processamento e armazenamento de alimentos:

✔ Sensor de temperatura e umidade ambiente para montagem na parede RK330-02

✔ Sensor de temperatura, umidade e pressão atmosférica RK330-01

Conclusão

A importância dos sensores de umidade na industrialização e na agricultura está crescendo. Os sensores de umidade podem ser capacitivos, resistivos ou térmicos, mas todos monitoram o teor de água no ar. Manter a umidade adequada garante qualidade, sustentabilidade e produtividade para humanos, máquinas, animais selvagens e plantações.

Com os rápidos avanços tecnológicos, os sensores de umidade já foram miniaturizados a ponto de terem o tamanho de um grão de sal. A crescente precisão, a maior vida útil e a incorporação de sensores de umidade em dispositivos IoT estão modernizando rapidamente essa tecnologia.

Se você busca sensores de alta precisão com os recursos de saída mais modernos, considere os sensores Rika. Oferecemos precisão de umidade relativa de ±3%, temperatura de ±0,5°C e pressão de ±1 hPa. São ideais para diversas aplicações meteorológicas, agrícolas e industriais. As saídas incluem (4-20mA, 0-5V, 0-10V, RS485 MODBUS) e um design robusto com longa vida útil (5 a 10 anos). Visite nosso site para conhecer a melhor seleção de sensores de umidade para todas as aplicações.

Perguntas frequentes (FAQs)

1. Umidade de 70% é considerada alta?

A faixa ideal de umidade relativa (UR) para ambientes internos é de 40% a 60%. No entanto, esse valor pode não ser considerado alto para certas plantas em estufas ou para a conservação de alimentos. A umidade relativa de 70% é considerada alta para o ambiente humano, pois pode causar condensação nas janelas e alterar a sensação térmica.

2. Com que frequência os usuários devem calibrar um sensor de umidade?

Sensores de umidade de diferentes tipos requerem calibração específica. Sensores capacitivos precisam de calibração anual, enquanto sensores resistivos devem ser verificados pelo menos a cada seis a doze meses. Já os sensores de condutividade térmica precisam ser calibrados anualmente. Seguir as orientações do fabricante do sensor é essencial para determinar o intervalo de calibração correto.

3. Os sensores de umidade podem funcionar em temperaturas extremas?

Sim, os sensores de umidade podem funcionar em condições de até 200 °C. Os sensores capacitivos de umidade, que utilizam polímero como material higroscópico, oferecem a maior faixa de operação. Eles podem funcionar em temperaturas extremas, mantendo uma precisão adequada para controle e medição.