I sensori di umidità rappresentano uno dei dispositivi maggiormente utilizzati per la misura e il monitoraggio dell’umidità nelle applicazioni industriali, biomediche, ambientali e nell’elettronica di consumo. L’umidità, definita come la percentuale di acqua presente in un determinato volume di aria, è un fattore che influenza enormemente la sensazione di benessere e vivibilità percepita dall’uomo. L’umidità è un aspetto molto importante anche per il funzionamento di dispositivi sensibili, come le apparecchiature elettroniche, industriali, i dispositivi sensibili alle scariche elettrostatiche e quelli che operano con alte tensioni. Dispositivi di questo tipo devono operare in ambienti in cui il livello di umidità deve mantenersi compatibile con i valori sopportati dagli stessi. Andiamo, quindi, a vedere come funzionano i sensori di umidità.
I loro impieghi
Numerosi sono i campi e le applicazioni in cui i sensori di umidità trovano impiego.
- Possiamo anzitutto citare il settore della domotica, dove i sensori misurano e controllano il grado di umidità nelle case, negli uffici e nelle serre
- In campo industriale i sensori sono utilizzati nelle raffinerie, nelle industrie chimiche e metallurgiche e nelle fornaci
- In questi contesti un elevato grado di umidità riduce la quantità di ossigeno nell’aria e perciò diminuisce il rischio di incendio
- In agricoltura, i sensori controllano l’umidità necessaria per una corretta coltivazione di ortaggi e frutta
- In campo biomedicale, i sensori sono di importanza fondamentale in apparecchiature quali incubatrici, sterilizzatori e ventilatori.
Il funzionamento dei sensori di umidità
I sensori di umidità sono dei dispositivi in grado di misurare l’umidità presente nell’ambiente circostante. Da un punto di vista tecnico, un sensore di questo tipo è anche noto con il termine di igrometro. Considerando il tipo di grandezza misurata possono essere classificati in sensori di umidità assoluta (AH) e in sensori di umidità relativa (RH).
Dal punto di vista elettrico, i sensori di umidità possono invece essere classificati in:
- sensori capacitivi
- oppure resistivi.
Sensori capacitivi
Questo tipo di sensori (progettati per misurare l’umidità relativa, o RH) viene utilizzato soprattutto in applicazioni in cui costo, ingombro e robustezza sono dei requisiti obbligatori. Il principio su cui basano è la variazione della permettività elettrica di un materiale dielettrico al variare dell’umidità. Da un punto di vista costruttivo, un sensori di umidità capacitivo è costituito da un condensatore, tra le cui armature viene inserito un opportuno materiale dielettrico la cui costante dielettrica varia con l’umidità. Il metodo più comunemente utilizzato per la fabbricazione di questo sensore consiste nell’utilizzo di una pellicola di polimero igroscopico (impiegato come dielettrico) alle cui estremità vengono depositati gli elettrodi delle armature.
I vantaggi dei sensori di umidità capacitivi sono numerosi; tra questi possiamo citare i seguenti: tensione di uscita pressoché lineare, elevata stabilità di funzionamento nel tempo, ampia gamma di misura RH e costo contenuto. Occorre comunque tenere che il sensore di umidità capacitivo, per sua natura, non deve essere posizionato troppo distante dal circuito elettronico di controllo. Le applicazioni dei sensori di umidità capacitivi sono numerose: impianti di riscaldamento e condizionamento, stampanti e fax, stazioni meteorologiche, settore automotive, industria alimentare, congelatori, forni e asciugatrici.
Sensori resistivi
Un’altra importante classe di sensori di umidità è rappresentata dai sensori di tipo resistivo, i quali, anziché la capacità, misurano la resistenza (impedenza) oppure la conduttività elettrica. Il principio su cui si basano questi sensori è che la conduttività nei materiali conduttori non metallici dipende dall’umidità (o, in altre parole, dal contenuto di acqua presente). Dal punto di vista costruttivo, un sensore di umidità resistivo è solitamente realizzato utilizzando dei materiali con resistività relativamente bassa, in modo tale da apprezzare ogni variazione della stessa in base all’umidità presente. La relazione tra resistenza e umidità è inversamente proporzionale. Il materiale a bassa resistività viene depositato sopra i due elettrodi, i quali vengono disposti seguendo uno schema interlacciato (a pettine) in modo tale da incrementare il più possibile l’area di contatto. La resistività tra gli elettrodi cambia quando lo strato superiore assorbe umidità; questa variazione può poi essere misurata e convertita in valore numerico tramite l’aiuto di un semplice circuito elettrico.
Come materiale a bassa resistività si possono utilizzare particolari tipi di sale, polielettroliti solidi, oppure polimeri conduttivi. I più moderni sensori di umidità resistivi sono protetti esternamente da uno strato ceramico che garantisce una protezione addizionale. Gli elettrodi del sensore sono invece realizzati con metalli nobili come oro, argento o platino. Tra i principali vantaggi offerti dai sensori di umidità resistivi possiamo citare: costo ridotto, dimensioni compatte, elevata intercambiabilità (i sensori non richiedono alcuna calibrazione), possibilità di collocare i sensori anche ad elevate distanze rispetto al circuito elettrico di controllo e misura. Il limite di questi sensori è la loro sensibilità ai vapori chimici e ad altre sostanze contaminanti. I sensori di umidità resistivi sono ampiamente utilizzati in numerose applicazioni industriali, domestiche, commerciali e per il controllo ambientale.
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