เซนเซอร์วัดค่าความชื้น (Humidity Sensor) ที่ใช้กันอยู่ในอุตสาหกรรมมีอยู่ด้วยกัน 3 ชนิด คือ Capacitive, Thermal Conductivity และ Resistive เมื่อเราจะเลือกนำไปใช้งานต่าง ๆ กัน การมาเริ่มทำความรู้จักถึงข้อดี และข้อด้อยของเซนเซอร์แต่ละชนิดจึงน่าจะมีประโยชน์ต่อข้อมูลการวัดที่จะได้รับมากที่สุด ผู้เขียนจะขอเริ่มจากสรุปข้อกำหนดที่เราควรจะจดจำไว้ เมื่อต้องเลือกใช้เซนเซอร์วัดค่าความชื้น ซึ่งได้แก่

          1. ความแม่นยำ (Accuracy) 

          2. ความสามารถในการวัดซ้ำ (Repeatability)

          3. เสถียรภาพในช่วงเวลายาว ๆ (Stability) 

          4. ความสามารถในการชดเชย (Condensation) 

          5. ความทนทานต่อสารเคมี 

          6. ขนาด และรูปตัวถังของเซนเซอร์ (Size & Package) 

          7. ความคุ้มทุน (Cost)

เซนเซอร์วัดค่าความชื้นแบบนี้วัดค่าความชื้นสัมพัทธ์ (Relative Humidity) มีรูปร่างหน้าตาดังแสดงในรูปที่ 1 มีการใช้งานกันอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม เชิงพาณิชย์ งานวิจัยหรือทดลองทางฟิสิกส์

รูปที่ 1 เซนเซอร์วัดค่าความชื้น Capacitive รูปทรงต่าง ๆ

เซนเซอร์แบบนี้มีโครงสร้างที่ประกอบไปด้วยชั้นฐานแผ่นฟิล์มบางที่ทำจากโพลีเมอร์ หรือเมทัลออกไซด์ (Metal Oxide) ถูกวางอยู่ระหว่างอิเล็กโตรดทั้งสอง โดยพื้นผิวของฟิล์มบางดังกล่าวถูกเคลือบด้วยอิเล็กโตรดโลหะแบบมีรูพรุนเพื่อป้องกันฝุ่นละอองและปัญหาจากแสงแดด

เซนเซอร์แบบคาปาซิตีฟสามารถตรวจจับความชื้นสัมพัทธ์ในสภาพแวดล้อมได้เกือบจะเป็นเชิงเส้น หรือมีการตอบสนองได้อย่างเป็นสัดส่วนที่ดีนั้นเอง โดยเมื่อค่าความชื้นสัมพัทธ์เปลี่ยนไป 1 เปอร์เซ็นต์ ค่าความจุไฟฟ้า (Capacitive) ก็จะเปลี่ยนไป 0.2 ถึง 0.5 pF

เซนเซอร์แบบคาปาซิตีฟถูกกำหนดให้มีคุณลักษณะเฉพาะคือค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำจึงทำให้ทำงานได้ดี แม้อุณหภูมิสูงถึง 200๐C การกลับสู่สภาวะเดิมจากสภาวะการควบแน่น และยังทนต่อไอระเหยของสารเคมีอีกด้วย ในขณะที่ช่วงเวลาการตอบสนองของเซนเซอร์คือ 30 ถึง 60 วินาที สำหรับการเปลี่ยนแปลงความชื้นในช่วง 63 เปอร์เซ็นต์

หลายปีที่ผ่านมามีการออกแบบพัฒนาให้เซนเซอร์แบบคาปาซิตีฟที่มีช่วงของการดริฟต์ (Drift) และฮีสเตอร์รีซีส (Hysteresis) น้อยที่สุด ทั้งนี้โดยอาศัยเทคโนโลยีที่ใช้ผลิตสารกึ่งตัวนำแบบใหม่มาประยุกต์ใช้ เซนเซอร์แบบคาปาซิตีฟที่ใช้แผ่นฟิล์มบางนี้ บางรุ่นมีการติดตั้งวงจรแปลงสัญญาณเข้าไว้ด้วย เพื่อช่วยสร้างเอาต์พุตแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกือบเป็นเชิงเส้นตามการเปลี่ยนแปลงของค่าความชื้น ดังในรูปที่ 2

รูปที่ 2 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความชื้น และค่าความจุไฟฟ้า

เมื่อพูดกันถึงข้อดีของเซนเซอร์แบบคาปาซิตีฟกันมาพอสมควรแล้วตอนนี้มาพูดถึงข้อด้อย ซึ่งเริ่มจากความผิดพลาดเท่ากับ (2%RH ในช่วงการเปลี่ยนแปลงค่าความชื้น 5% ถึง 95%RH นอกจากนี้เซนเซอร์ยังถูกจำกัดความสามารถด้วยระยะระหว่างชิ้นส่วนตรวจจับความชื้นกับวงจรแปลงสัญญาณ เพราะหากไกลกันมากจะทำให้เกิดผลกระทบของค่าความจุไฟฟ้า และในทางปฏิบัติจะต้องน้อยกว่า 10 ฟุต

คุณสมบัติที่สำคัญอย่างยิ่งของเซนเซอร์แบบค่าความจุก็คือ Dew Point เนื่องจากจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสัญญาณสอดคล้องกับค่าความชื้นที่เปลี่ยนไป แม้จะเปลี่ยนแปลงไปน้อย ๆ ก็ตาม และค่า Drift ต่ำ ซึ่งถือว่าเป็นข้อดี แต่ถ้าค่าความชื้นที่เปลี่ยนไปต่ำกว่าในระดับที่กำหนดแล้ว เซนเซอร์ก็เริ่มที่จะทำงานไม่เป็นเชิงเส้น

คุณลักษณะดังกล่าวนี้นำไปสู่การพัฒนาระบบวัด Dew Point ติดตั้งร่วมกับเซนเซอร์และอานมีระบบไมโครโปรเซสเซอร์ช่วยเก็บข้อมูลการปรับเทียบค่าเอาไว้ในหน่วยความจำ เพื่อการชดเชยค่าได้อย่างแม่นยำขึ้นด้วย

 เซนเซอร์ความชื้นแบบความต้านทานนี้จะวัดการเปลี่ยนแปลงอิมพีแดนซ์ไฟฟ้าของตัวกลางดูดความชื้น (Hygroscopic Medium) อย่างเช่น โพลิเมอร์ เกลือหรือสารสังเคราะห์ทั้งนี้อิมพีแดนซ์ที่เปลี่ยนจะแปรผันกับค่าความความชื้นในลักษณะของกราฟเอกซ์โปเนนเชียลกลับด้าน ดังในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงเซนเซอร์แบบ Resistive Humidity

โครงสร้างของเซนเซอร์ Resistive ประกอบด้วยอิเล็กโตรดโลหะ 2 ส่วนวางอยู่บนฐานด้วยเทคนิคการวางแบบโฟโตรีซีส (Photo resist) อิเล็กโตรดอาจมีขดลวดพันรอบ Wire-wound Electrodes ใช้แกนเป็นพลาสติกหรือแท่งแก้วทรงกระบอกในส่วนของฐานนั้นถูกเคลือบด้วยเกลือ (Salt) หรือโพลีเมอร์ (Conductive Polymer) การทำงานของเซนเซอร์ก็คือดูดซับไอน้ำและไอออนที่แตกตัว เป็นผลให้ค่าความนำไฟฟ้าของตัวกลางเพิ่มขึ้น โดยช่วงเวลาการตอบสนองของเซนเซอร์อยู่ในช่วง 10 ถึง 30 วินาทีสำหรับการเปลี่ยนแปลงในช่วง 63% โดยย่านของอิมพีแดนซ์ที่เปลี่ยนแปลงของเซนเซอร์แปรเปลี่ยน 1 kW ถึง 100 mW

เซนเซอร์แบบ Resistive จะใช้วงจรวัดแบบสมมาตร (Symmetrical) ซึ่งใช้แปล่งกำเนิดกระแสสลับกระตุ้นอย่างเช่นวงจรบริดจ์ (Bridge) และสาเหตุที่ให้ใช้กระแสตรงก็เพื่อป้องกันการเกิดขั้วศักย์ไฟฟ้าขึ้นนั่นเอง

เมื่อความต้านทานเปลี่ยนตามการเปลี่ยนของความชื้นเป็นผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลในวงจรวัด กระแสงฟ้านี้จะถูกแปลงเป็นสัญญาณแรงดันกระแสตรงเพื่อการส่งผ่านไปยังวงจรขยายย่านวัด วงจรขยายแรงดัน วงจรปรับเชิงเส้นและวงจรแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิตอลต่อไป ซึ่งเมื่อผ่านกระบวนการต่าง ๆ แล้วจะทำให้เซนเซอร์และ Resistive มีการตอบสนองต่ออุณหภูมิได้ดีมาก ดังแสดงความสัมพันธ์ในกราฟที่ 4

รูปที่ 4 แสดงกราฟการตอบสนองของเซนเซอร์ชนิด Resistive

ข้อดีของเซนเซอร์แบบ Resistive ก็คือการสับเปลี่ยนได้ (Interchangeability) หมายถึงหากตัวใดเสียก็สามารถนำอีกตัวหนึ่งมาแทนได้ โดยผ่านการสอบเทียบด้วยการปรับค่าความต้านทาน ซึ่งก็ทำให้ค่าความชื้นเปลี่ยนแปลงไปไม่เกิน ±2%RH อย่างไรก็ตามหากต้องการสอบเทียบเซนเซอร์ Resistive ได้อย่างแม่นยำ ก็สามารถทำได้โดยใช้ RH Calibration Chamber หรือสอบเทียบด้วยระบบ DA ซึ่งใช้คอมพิวเตอร์ร่วมด้วย ข้อควรจำอย่างหนึ่งของการใช้เซนเซอร์แบบ Resistive คืออ่านอุณหภูมิใช้งาน อยู่ในช่วง -40๐C ถึง 100๐C

แม้ว่าอายุการใช้งานของเซนเซอร์อยู่ในช่วง 5 ปี แต่การใช้งานในสภาพแวดล้อมของไอระเหยของสารเคมีหรือน้ำมันก็อาจทำให้อายุการใช้งานของเซนเซอร์สั้นลงกว่านี้ ข้อบกพร่องหรือข้อด้อยอีกอย่างของเซนเซอร์ความต้านทานก็คือ การเกิดค่าเบี่ยงเบนเมื่อเกิดสภาวะควบแน่นหากใช้สารเคลือบที่ละลายน้ำได้

เซนเซอร์แบบ Resistive จะทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่มีการผันแปรของอุณหภูมิไม่เกิน 10๐F หากเกินนี้ อุณหภูมิก็จะเริ่มส่งผลให้อ่านค่าความชื้นได้เพี้ยนไป อย่างไรก็ตามด้วยสาเหตุนี้เองจึงมีการเพิ่มระบบชดเชยอุณหภูมิเข้าไปด้วยเพื่อให้ความแม่นยำสูงขึ้น จากที่กล่าวมานี้คุณลักษณะที่มีขนาดเล็ก ราคาถูก สามารถสับเปลี่ยนกันได้ และเสถียรภาพในช่วงเวลานาน จึงทำให้เหมาะใช้ในงานควบคุม อุปกรณ์แสดงผลในอุตสาหกรรม และใช้ในเครื่องใช้ต่าง ๆ ตามบ้าน

เซนเซอร์ความชื้นแบบ Resistive แบบหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและเป็นที่รู้จักกันเป็นอย่างดีคือ " Dunmore " สร้างขึ้นครั้งแรกในปีคริสต์ศักราช 1940 และใช้กันเรื่อยมาจนทุกวันนี้

Dunmore Type โครงสร้างประกอบไปด้วยขดลวด Palladium ที่พันอยู่รอบแกนพลาสติก และถูกเคลือบด้วยสารผสมระหว่างโพลีไวนีลแอลกอฮอล์ (Binder) และลิเธียมโปรโมด์ (Lithium Bromide) หรือลิเธียม คลอไรด์ (Lithium Chloride) การปรับระดับความเข้มข้นลิเธียมไบรไมด์หรือลิเธียมคลอไรด์จะส่งผลให้ค่าความแยกแยะ (Resolution) ของเซนเซอร์สูงขึ้นและครอบคลุมย่านการวัดความชื้น 20% - 40% RH หรืออาจะสร้างใช้ในงานที่ต้องการฟังก์ชันการควบคุมความชื้นต่ำ ๆ ระดับ 1% - 2% RH ได้ด้วย ความแม่นยำของเซนเซอร์ Dunmore ระดับ 0.1%

การใช้งาของเซนเซอร์ Dunmore จะใช้กันในงานควบคุมระบบปรับอากาศที่ต้องการความแม่นยำสูง และใช้ควบคุมความชื้นในระบบสายส่งไฟฟ้ากำลังและระบบโทรคมนาคม

การพัฒนาล่าสุดของเซนเซอร์ความชื้นแบบ Resistive คือ การใช้เซรามิกเคลือบผิว เพื่อลดข้อจำกัดในกรณีเกิดการควบแน่นของสภาพแวดล้อมเซนเซอร์แบบนี้ประกอบไปด้วยส่วนฐานที่ทำจากเซรามิก และมีอิเล็กโตรดโลหะวางห่างกันโดยใช้กระบวนการไฟโต้รีซีส ส่วนฐานของเซรามิกจะถูกเคลือบด้วยสารผสมระหว่างโพลีเมอร์และเซรามิก ส่วนประกอบทั้งหมดของเครื่องจะถูกประกอบใช้ในตัวถังพลาสติกเพื่อป้องกันฝุ่นละออง

เซนเซอร์แบบนี้เป็นชนิดเดียวที่วัดค่าความชื้นสมบูรณ์ โดยอาศัยการคำนวณความแตกต่างระหว่างค่าการนำความร้อนของอากาศแห้ง (Thermal Conductivity) กับการนำความร้อนของอากาศที่มีไอน้ำอยู่ โดยเมื่ออากาศหรือก๊าซแห้ง มันจะมีความสามารถที่จะรับความจุความร้อนสูงกว่า ยกตัวอย่างเช่น สภาวะอากาศในทะเลทราย ซึ่งจะร้อนจัดในเวลากลางวัน แต่พอตกกลางคืนอากาศจะลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งเกิดจากสภาวะบรรยากาศแห้ง เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว อากาศที่มีความชื้นจะไม่เย็นลงอย่างรวดเร็วในตอนกลางคืนเพราะความร้อนยังแฝงอยู่ในไอน้ำของชั้นบรรยากาศ

เซนเซอร์แบบ Thermal Conductivity หรือเราอาจะเรียกเซนเซอร์ความชื้นสมบูรณ์ (Absolute Humidity Sensor) ประกอบด้วยเทอร์มิสเตอร์ 2 ตัว ต่ออยู่ในวงจรบริดจ์โดยเทอร์มิสเตอร์ตัวหนึ่งบรรจุอยู่ในแคปซูลที่มีก๊าซไนโตรเจน และเทอร์มิสเตอร์อีกตัวหนึ่งถูกวางอยู่ในบรรยากาศ ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 แสดงเซนเซอร์แบบ Thermal Conductivity

จากวงจรในรูปที่ 6 กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านเทอร์มิสเตอร์ทั้งสอง ส่งผลให้เกิดความร้อนสูงขึ้นในตัวเทอร์มิสเตอร์มากกว่า 200๐C และความร้อนที่กระจายออกจากเทอร์มิสเตอร์ในแคปซูลจะมากกว่า เทอร์มิสเตอร์ที่อยู่ในบรรยากาศ ความแตกต่างของอุณหภูมิของเทอร์มิสเตอร์ทั้งสองนี้ เป็นความต่างของการนำความร้อนของไอน้ำเทียบเก็บไนไตรเจนแห้ง ความแตกต่างของค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์จึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความชื้นสมบูรณ์ดังในรูปที่ 6

เซนเซอร์แบบ Thermal Conductivity มีความทนทานสูงและทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงถึง 300๐C และยังทนต่อไอระเหยสารเคมีได้เป็นอย่างดีจากคุณสมบัติที่ดีของวัสดุโครงสร้างเครื่องที่ไม่มีปฏิกิริยาทางสารเคมี เช่นแก้ว สารกึ่งตัวนำ ที่ใช้สร้างเทอร์มิสเตอร์พลาสติกทนอุณหภูมิสูงหรืออะลูมิเนียม

โดยทั่วไปแล้วจะมีการใช้เซนเซอร์แบบ Thermal Conductivity ในงานอุตสาหกรรมอบผ้าทั้งแบบที่ใช้ไมโครเวฟ หรือแบบที่ใช้ไอน้ำ รวมทั้งอุตสาหกรรมอบไม้ อุตสาหกรรมผลิตกระดาษ และการผลิตสารเคมีต่าง ๆ ทั้งนี้เซนเซอร์แบบนี้มีความแยกแยะที่ดีกว่าเซนเซอร์แบบอื่น ที่ระดับอุณหภูมิสูงกว่า 200๐F นอกจากนี้ก็อาจมีการใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำระดับ +3g/m3 ซึ่งเมื่อแปลงไปเป็นค่าความชื้นจะได้เท่ากับ ±5%RH ที่ 40๐C และ ±0.5% RH ที่ 100๐C

เซนเซอร์รุ่น SHT11 ของ SENSIRION เป็นเซนเซอร์ขนาดเล็กจิ่วเมื่อเทียบกับขนาดหัวไม้ขีดไฟ และเป็นเซนเซอร์ตรวจจับความชื้นสัมพัทธ์แบบดิจิตอลที่วัดค่าอุณหภูมิได้ด้วย โดยมีจุดเด่นต่าง ๆ ดังนี้

          - เอาท์พุตแบบดิจิตอล 

          - เสถียรภาพสูงมาก 

          - ไม่ต้องมีวงจรใดมาเชื่อมต่อเพิ่มเติมอีก 

          - ใช้พลังงานไฟฟ้าต่ำมาก 

          - มีตัวถังให้เลือกเป็นแบบ Surface Mount หรือแบบ 4 ขาสัญญาณ ขนาดเล็ก 

          - มีระบบปิดเครื่องอัตโนมัติ 

          - สามารถเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรเลอร์ได้

รูปที่ 7 แสดงหน้าตาของเซนเซอร์ SH11

เซนเซอร์ SHT11 เหมาะสมกับงานอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การสร้างเครื่องมือวัดความชื้น/อุณหภูมิ, ดาต้าลอกเกอร์ (Data Logger), เครื่องปรับอากาศ, ระบบวัดความชื้นในรถยนต์ และในงานทางการแพทย์ และงานวิจัย

การทำงานของเซนเซอร์วัดความชื้นแบบอินฟราเรดอาศัยผลของการดูดซับแสงอินฟาเรดของก๊าซ โดยตัวเซนเซอร์ประกอบไปด้วยแหล่งกำเนิดแสง (Light Source), ตัวกรอง (Filter) และตัวตรวจจับแสง (Photo Detector) ทั้งนี้การทำงานของเซนเซอร์มีส่วนคล้ายกับสเปกโตรสโคป (Spectroscope)

รูปที่ 8 โครงสร้างของเซนเซอร์วัดความชื้นแบบอินฟราเรด 1. แหล่งกำเนิดแสง, 2. ตัวกรองแสง, 3. ตัวตรวจจับแสง

การพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ อย่างเช่น การวางฟิล์มบาง, การฉีดไอออน และการเคลือบผิวเซรามิก/ซิลิคอน ก็ช่วยเกิดความเป็นไปได้ที่จะสร้างให้เกิดเซนเซอร์ที่มีความแม่นยำสูง พร้อมทั้งความพิเศษในเรื่องของการต้านทานฝุ่นละออง และสารเคมี แต่ราคาจะต้องไม่สูงจนเกินไป

เซนเซอร์ความชื้นแต่ละชนิดที่กล่าวมานี้มีจุดเด่นเฉพาะตัวต่าง ๆ กัน ไม่มีเซนเซอร์ชนิดใดที่เหมาะกับงานทุก ๆ แบบ เซนเซอร์ความชื้นแบบ Resistive มีจุดเด่นที่สุดในเรื่องของการสับเปลี่ยนกันได้เหมาะกับงานตรวจจับในระยะไกล ด้วยราคาที่ถูกที่สุด ในขณะที่เซนเซอร์แบบ Capacitive นั้นให้ย่านการวัดค่าความชื้นที่กว้าง และมีข้อดีในเรื่องของการชดเชยอุณหภูมิ สุดท้ายคือเซนเซอร์ Thermal Conductivity นั้นเหมาะกับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ฝุ่นละออง หรือสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูง