Особенности датчиков влажности
В повседневной жизни человеку приходится решать ряд как производственных, так и бытовых задач. И для каждой из них необходимо подбирать соответствующий тип датчика влажности. Наиболее существенным критерием для измерения является контролируемая среда.
Для почвы.
Рис. 8. Использование датчика влажности для почвы
За счет установки датчика влажности можно обеспечивать автоматический полив грядок или горшков с рассадой. Для этого чаще всего используют электронные датчики, зонд которых устанавливаются в грунт растения.
При поливе содержание влаги в земле повышается, что существенно увеличивает проводимость грунта. Как только вода испарится, почва высохнет, и сопротивление между электродами датчика снова увеличится.
Для воздуха.
Для воздуха отлично подходят емкостные, резистивные, термисторные и оптические датчики. Внутри которых или вокруг чувствительных элементов легко обеспечивается циркуляция газа с измеряемой влагой.
Датчики с закрытыми или герметичными зондами обладают меньшей реакцией на изменения влажности. Поэтому подойдут для той среды, где концентрация влаги изменяется плавно без резких перепадов.
Зачем контролировать влажность
Влажность воздуха может быть абсолютной и относительной. Первая цифра говорит о том, какое максимальное количество воды в виде водяного пара может содержаться в кубическом метре воздуха при средних значениях температуры и атмосферного давления. Относительная влажность – это процентное отношение фактической влажности к максимально возможной. Так, при 20°С в кубометре воздуха содержится около 17,5 г водяного пара. Если относительная влажность – 70%, то влаги будет уже 12,3 г.
В жилых помещениях нормальным для человека считается уровень влажности в 50 – 60%. Меньшие показатели вызывают неудобство и дискомфорт, а вот при повышенных появляется риск развития грибка и плесени.
Особенно актуально следить за количеством влаги в специальных помещениях, где есть «мокрые зоны»: ваннах, саунах, банях, санузлах. Здесь риск появления грибка и плесени существенно выше, поэтому необходима принудительная вентиляция.
Виды и принцип работы датчиков влажности
Гигрометр — это прибор, с помощью которого определяется содержание воды в окружающей среде. По принципу действия датчики влажности подразделяются на 5 типов. Некоторые устройства изначально откалиброваны под необходимые параметры. В других случаях требуется точная настройка гигрометра с использованием данных о содержании воды в окружающей среде.
- Емкостные. Устройство подобного датчика влажности достаточно простое. Оборудование представляет собой конденсаторы с воздухом в зазоре. Более сложные емкостные устройства имеют в зазоре твердое вещество-диэлектрик. Такое оборудование показывает более точные измерения, чем воздушное. Оно применяется для определения относительного содержания воды в твердых объектах. При этом они должны быть полностью очищены от частиц с высокой диэлектрической проницаемостью, иметь неизменную форму, а влажность образца не должна быть ниже 0,5 %.
- Резистивные. В подобных гигрометрах на подложке закреплены два электрода, а поверх них — материал с малым сопротивлением, меняющимся в зависимости от степени содержания в окружающей среде воды. Чаще всего это оксид алюминия. Он поглощает влагу и изменяет удельное сопротивление. Таким образом можно измерить показатель влажности.
- Термисторные. Такое оборудование имеет в конструкции два одинаковых нелинейных электронных компонента с зависящим от температуры самого термистора сопротивлением. Один элемент размещается в герметичной камере, наполненной сухим воздухом. Другой — в емкости с отверстиями. Сквозь них проникает воздух, параметры которого необходимо измерить. Принцип работы датчика влажности следующий: на одну диагональ подается ток, а другая выдает показания. С учетом этих данных и определяется содержание жидкости в объекте.
- Оптические. Выдают наиболее точные показатели. Принцип действия данных гигрометров основан на достижении точки росы, когда под воздействием изменения температур на зеркале устройства образуется водяная капля. В конструкции датчика есть светодиод, направление луча которого меняется после преодоления точки росы, перемещая его на фотодетектор и рассеивая. Напряжение в цепи уменьшается, фотодетектор подает сигнал на регулятор температуры зеркала, который удерживает показатель в точке росы, а датчик показывает содержание воды в окружающей среде.
- Электронные. Устройство такого датчика влажности базируется на измерении концентрации электролита, покрывающего электроизоляционный материал. Кроме того, существует оборудование с автоматическим подогревом и принципом работы с помощью точки росы, которая определяется над концентратом хлорида лития. Раствор чувствителен даже к минимальным отклонениям, поэтому подобные приборы высокоточны и могут производить измерения независимо от температуры воздуха. Также существуют датчики-электроды, которые погружаются в почву и выявляют уровень влажности с учетом проводимости.
Емкостные
Все емкостные датчики являются конденсаторами, в которых воздух выступает диэлектриком. Такое устройство прибора объясняется тем, что влажность воздуха связана с диэлектрической проницаемостью, а значит любое изменение количества влаги в воздушных потоках влияет на изменения в емкости устройства.
Некоторые из таких приборов могут с успехом применяться в проведении измерения влажности твердых веществ, так как достаточно разместить в конденсаторе объект, и значения начнут меняться. Очень важно очистить исследуемый объект от любых частиц с диэлектрической проницаемостью, а форма образца не должна меняться в ходе измерений.
Резистивный
Работа резистивных датчиков основана на отслеживании изменений электрического сопротивления среды. В их конструкции применяется керамическое покрытие с целью исключить слияние состояния окружающей среды при образовании конденсата. Датчики состоят из подложки с проводящим электролитом на поверхности и нанесенными на нее электродами. Конструкция помещается в пластиковую защиту. В качестве соединительного материала применяется керамический порошок, взвешенный в жидкой среде. После покрытия и высушивания, датчики проходят термическую обработку при высокой температуре, в результате которого образуется толстопленочное покрытие, устойчивое к растворению в воде и предотвращающее образование конденсата. В резистивных датчиках используется бифилярная намотка. В результате покрытия датчиков гигроскопическим полимером, их сопротивление становится обратно пропорциональным влажности.
Устройство детекторов резистивного типа
Резистивный датчик представляет собой два электрода, расположенные на подложке. В качестве нанесенного поверхностного слоя используют оксид алюминия. Он прекрасно впитывает влагу, имеет малое сопротивление, величина которого меняется в зависимости от влажности окружающей среды.
Термисторные
Типичный термисторный прибор для измерения влажности воздуха состоит из термисторов, чье сопротивление напрямую зависит от изменения температурного показателя. Для правильной работы устройства один из термисторов должен быть помещен в камеру без доступа воздуха, с высоким показателем сухости. Второй датчик размещается в камере, в которую попадает влажный воздух для измерения.
Влажность определяется после вычисления значения, которое получают при измерении напряжения между работой датчиков. Что касается самих термисторов, то их температура может меняться при наличии влажного воздуха из-за корпуса. Именно с него начинает испаряться вода, понижая общую температуру и реагируя на наличие влаги.
Оптический
Считается, что оптические, как и лазерные датчики, являются наиболее точными при измерении влажности воздуха. Работа оптического датчика заключается в следующем: когда температура достигает, так называемой, точки росы, влажность измеряется при условии термодинамического равновесия.
Можно привести самый очевидный пример. Если установить стекло в газообразной среде, обладающей повышенной температурой и затем охладить объект — на поверхности появится конденсат. Это будет считаться точкой росы, по которой можно определить количество влаги.
Схема оптического датчика представляет собой светодиод с направленным на зеркальную поверхность светом. После отражения потока света он меняет свое направление, после чего перенаправляет детектор. Таким образом, зеркало может быть подогрето или охлаждено.
Сигналы, которые исходят от детектора при работе устройства, могут служить для сбора необходимой информации о состоянии воздуха. Для этого регулятор будет держать температуру, которая фиксируется на поверхности зеркала, а датчик будет показывать ее значение. Когда, после проведенных исследований, становятся известны точные показатели давления и температуры, датчик сможет определить главные значения наличия влаги.
Электронные
На пластинку из стекла или полистирола наносят слой гигроскопического материала или электролита – хлорид лития. Вещество чувствительно к изменению влажности и показатель его концентрации является определяющим для вывода на экран итоговых показаний. В составе электронного гигрометра есть термометр, который повышает точность измерений. Данный тип прибора используют при измерении влажности почвы (полезно для сада и огорода).
Механический
Рис. 5. Механический датчик влажности
В отличи от предыдущих типов датчиков осуществляют измерение влажности посредством механических перемещений. Наиболее популярными являются весоизмерительные и волосные.
Первый тип включает в себя трубки, наполненные гигроскопичным веществом, как правило, хлоридом кальция или перхлоратом магния. Которое впитывает влагу из окружающей среды и увеличивает свою массу. По мере увеличения веса механически перемещается стрелка весов.
Волосные функционируют по принципу удлинения человеческого волоса по мере воздействия на него влаги. Механические датчики отличаются низкой себестоимостью, им не требуется дополнительный источник питания, но они имеют относительно большую погрешность.
Канальный
С помощью канального датчика определяют влажность неагрессивных сред. Наличие в воздухе пыльных масс вносит большую погрешность и делает невозможным применение канального датчика.
Применение датчиков на практике
Датчики используются для следующих задач:
- поддержание заданного микроклимата в жилых и офисных помещениях: обеспечение комфортного пребывания людей;
- обеспечение необходимых параметров воздуха на складах и в хранилищах: например, архивы, музеи или овощебазы;
- сохранение заданной влажностной среды при работе с биологическими объектами: инкубаторы, лаборатории, медицинские учреждения;
- обеспечение климатических условий на производстве сухих смесей или с применением чувствительной к влажности технике;
- контроль в котельных или водоочистительных станциях: предотвращение образования конденсата;
- соблюдение гигиенических норм в любых помещениях: высокая влажность способствует развитию плесени и грибка.
Схемы подключения
Датчик влажности может иметь самое различное назначение, от чего и будет зависеть схема его подключения. В качестве простейшего примера рассмотрим вариант подключения к вытяжке.
Рис. 6. Пример подключения датчика влажности к вытяжке
Как видите на схеме, фазный проводник L подключается через коммутатор сенсора. При насыщении воздуха влагой до установленного предела контакты замкнуться и питание будет подано в цепь питания вентилятора. Что приведет к принудительному проветриванию помещения.
Рис. 7. Схема подключения датчика влажности к микроконтроллеру
Как видите, на данной схеме представлен принцип работы датчика влажности через аналоговый сигнал. Здесь подключение производится подключение выводов сенсора к клеммам микроконтроллера Ардуино:
- VCC к разъему 7 Arduino;
- GND к разъему GND;
- A0 к одноименному A0.
Настройка
Настройка датчика производится в соответствии с инструкций по вводу в эксплуатацию установленного прибора. В системе «Умный дом» используют датчик Mi Smart. Для настройки нужно установить приложение на смартфон или компьютер, чтобы в течение дня в удаленном режиме контролировать показатели влажности и температуры в помещении. Гибкие возможности ограничивающих значений в программном обеспечении позволяют задавать определенные параметры. Если состояние воздушной среды выходит за установленные рамки, то на электронное устройство приходит сообщение, и владелец дома может повысить или понизить температуру отопительных приборов, включить увлажнитель воздуха либо открыть окно для проветривания. Таким образом, можно поддерживать приемлемый микроклимат во всем доме.
Изготовление датчика влажности почвы своими руками
Еще одна популярная сфера применения датчика влажности (на этот раз воздуха) – это домашний инкубатор. Как известно, при нагреве инкубатора воздух внутри осушается. Это может привести к высокому проценту отбраковки яиц. Примитивные миски с водой не всегда дают должный эффект: без системы контроля вода испарится, а владелец инкубатора может пропустить этот момент. Для контроля необходим элементарный контроль с цифровым табло.
Если не рассматривать популярные готовые решения на Ардуино, можно собрать электронный детектор влажности воздуха на базе микросхемы PIC16F628A. Сенсор влажности, совместимый с такой логикой – DTH-11. Остальная элементная база – несколько согласующих резисторов и цифровое табло.
Данный контроллер имеет возможность как показывать уровень влажности в процентах, так и давать сигнал на исполнительное устройство для увлажнения. Снабдив его любым типом увлажнителя можно не беспокоиться о сохранности яиц в закладке.
Кроме того, данная схема позволяет подключить сенсор температуры. Таким образом, вы получаете полноценную систему климат контроля для инкубатора, работающую в автономном режиме.
Изготовление датчика влажности почвы своими руками на Arduino
Разумеется, сам сенсор изготавливать не нужно, эта деталь давно и успешно выпускается нашими друзьями из Поднебесной и стоит относительно недорого. Речь пойдет об интеграции датчика в систему управления для теплицы или балконной грядки.
Типичный пример: комплект FC-28.
Представляет собой емкостной детектор, соединенный с платой компаратора, выполненной на микросхеме LM393. В схеме присутствует потенциометр, с помощью которого можно произвести калибровку и задать условия для срабатывания датчика. Принципиальная схема устройства на иллюстрации:
Прибор не предназначен для мониторинга текущей влажности земли: его задача дать сигнал для включения системы автоматического полива. При достижении откалиброванного резистором порога сухости почвы, логический «0» на выходе компаратора меняется на «1» (контакт D0). Контроллер получает сигнал и дает команду исполнительному механизму полива.
В принципе, разработчик предусмотрел возможность снятия показаний для отображения на текстовом табло. Для этого используется аналоговый сигнал (A0) со схемы управления. Это не основной режим, но оператор всегда может увидеть влажность почвы в процентах.
Питание комплекта осуществляется с помощью источника 5 вольт с током до 35 мА. Это может быть блок питания или комплект батареек. Подойдет любая версия Arduino: например, UNO.
Схема может быть расширена датчиком уровня воды, световой и звуковой сигнализацией. Источником водоснабжения служит помпа, соединенная с контролируемым резервуаром. Типовая блок-схема готовой системы полива на емкостном датчике влажности представлена на иллюстрации:
Если запрограммировать контроллер Arduino на несколько грядок, можно применять систему на больших территориях: поле, теплица и пр.
Промышленные датчики температуры и влажности
При наличии средств, все эти приборы можно приобрести в заводском исполнении.
Это может быть отдельно вынесенный датчик влажности для индикации, или встроенный сенсор с подключением к системе «умный дом». Многие датчики позволяют получать информацию дистанционно, с передачей по сети интернет или на мобильный планшет.
Совет: для эффективного и надежного использования лучше приобретать не универсальные, а специализированные датчики влажности и температуры.
В данном материале есть описание различных типов сенсоров: каждый из них хорош для конкретных условий применения. Не обязательно выбирать самый дорогой и защищенный от агрессивной внешней среды прибор, если он будет использоваться в помещении.
Равно как датчик влажности почвы для горшков комнатных растений, не сможет контролировать обширные грядки в теплице или на поле.
HIG-2
Датчик влажности SOLER&PALAU HIG-2 реагирует при влажности 60-90%, температуре от 0 до 40°С. Гигростат используется для автоматического включения и выключения вентиляторов, опираясь на заданный уровень относительной влажности.
После достижения заданного показателя влажности датчик выключается и срабатывает таймер задержки отключения.
После отработки по таймеру вентилятор автоматически отключается и датчик переходит в режим ожидания. Электробезопасность обеспечивается
Xiaomi
Компания Xiaomi выпускает широкую линейку недорогой техники, но имеет отличительные от других производителей характеристики, имея свои достоинства и недостатки.
Так в модельном ряду присутствуют и датчики температуры и влажности. Представляет собой крошечное устройство, которое реагирует на изменение заданных показателей. Управление осуществляется через приложение и специальную программу.
Датчик сконструирован довольно примитивно, крепится на поверхность, использует батарейку, поверх устройства имеется кнопка, которая загорается в момент первого включения. Гаджет работает только в совокупности с главным устройством.
Рабочие температуры датчика варьируются от -20 до 60ºС. Влажность – от 0 до 100%, Измерение температуры и влажности происходит постоянно.
Устройство подает сигнал (мигание света или звук) опасности, если показатели датчика уходят за границу установленной нормы. К основному аппарату можно подсоединить несколько датчиков и контролировать влажность в разных помещениях.
DHT11 и DHT22
Датчики температуры и влажности DHT11 и DHT22 принадлежат группе недорогих и простых. Датчики DHT собраны из двух деталей: емкостный датчик влажности и термистор.
В корпус датчика встроен простой чип для изменения аналогового сигнала в цифровой. Считывать цифровой сигнал на выходе совершенно просто — при помощи любого контроллера.
Изучив все технические показатели можно сделать вывод, что DHT22 более точный и имеет больший масштаб измеряемых значений. Оба датчика имеют по одному цифровому выходу. Запросы к ним можно отправлять не чаще чем один в секунду или две.
ИВИТ-М
Устройство измерения температуры и влажности Ивит–М разработан для контроля влажности воздуха и неагрессивных газов в промышленности, жкх и сельской деятельности.
В устройствах ИВИТ-М используются высококачественные сенсоры емкостного типа, имеющие временную и температурную стабильность параметров. Технические показатели и класс точности прибора разделяют датчики на типы. Все устройства ИВИТ-М обладают высокой точностью измерения.
У датчика влажности воздуха ИВИТ-М есть защита от конденсации влаги на чувствительном элементе. В случае повышения значения в 90% моментально срабатывает, нагрев микронагревателя сенсора, способствующего повышению температуры на 5°С выше температуры окружающей среды. Причем относительная влажность около чувствительного элемента снижается и исключается вероятность конденсации влаги.
Правила эксплуатации
Эксплуатация датчиков влажности должна производиться с соблюдением требований по безопасности и мер по увеличению срока использования. Нельзя допускать попадание влаги внутрь прибора, эксплуатировать прибор в химически агрессивных средах, содержащих кислоты и щелочи. Контакт с рабочей поверхностью датчика может быть опасен для человека. Также нельзя допускать длительное нахождение прибора в условиях высокой относительной влажности, так как это может вызвать дрейф характеристик и ухудшение точности измерений.
Совет для самодельщиков
Если вам подвернулся исправный датчик с какого-нибудь готового устройства, не пытайтесь извлечь его и использовать в другой схеме. Интегрированные сенсоры, как правило, разрабатываются под конкретные проекты, и создание переходной схемы сведет на нет всю экономию. Лучше сначала разработать свой контроллер, а затем приобрести под него конкретный датчик влажности.
Предыдущая
