Меню

Датчик для регулировки влажности воздуха



Датчик влажности и температуры своими руками

Для поддержания нормальных условий жизнедеятельности человека или животных, а также при организации производства, важно обеспечить правильный микроклимат. Одна из важных составляющих – правильная влажность. Причем этот показатель измеряется как в воздушной среде, так и в почве. Кроме того, при организации производства или строительства, необходимо знать остаточную влажность материала. Например, нарушения требований сухости зерна или цемента, могут привести к порче продукта, и серьезным финансовым потерям. Представьте себе заплесневевший элеватор зерна емкостью десятки тысяч тонн. Или превратившийся в камень, внушительный запас сухих строительных смесей.

Как определить количество воды в окружающей среде или предметах? Для этого используются датчики влажности.

01

Такой прибор называют гигрометром или гигростатом, в зависимости от способа применения. С простейшими механическими гигрометрами вы наверняка сталкивались на уроках физики в школе, и в саунах, где этот тип прибора довольно популярен.

Датчики влажности воздуха по принципу действия

Для начала разберемся с терминами: что такое влажность в принципе?

Академически, это содержание водяных паров в атмосфере или количество влаги в иной среде по отношению к ее весу.

На практике влажность может быть обусловлена не только водой, но и другими техническими жидкостями.

Механические датчики влажности

Эти конструкции не отличаются разнообразием, и применяются не одну сотню лет. Принцип действия основан на способности материалов изменять свои габариты (длину) при намокании. Наилучший вариант – это женский волос рыжего цвета (разумеется, естественного происхождения, а не окрашенный). На практике чаще всего применяется конский волос, или волосы других животных.

Система подвеса состоит из грузика (или пружины), оттягивающего измерительный элемент: волос. Подвес прикреплен к стрелке. При намокании, волос растягивается, стрелка показывает значение влажности. Разумеется, при изготовлении такого прибора или смене изношенного волоса, шкалу необходимо заново откалибровать. Преимущество таких приборов – простота и дешевизна в реализации. Недостатки: высокая погрешность (причем она меняется в ходе эксплуатации) и боязнь механических нагрузок.

Психрометрические датчики температуры и влажности

Почему два в одном? Дело в том, что датчик влажности такой конструкции основан на измерении температуры. А поскольку в системе есть термометр, почему не вывести его показания на табло. Эти приборы бывают механическими и электронными. Механика представляет собой два одинаковых термометра, один из которых помещен во влажную среду (банальное обертывание мокрой ветошью). Иногда, для увеличения производительности, приборы обдувают специальным вентилятором. На влажном и сухом термометрах отображается разная температура. Разница определяется степенью влажности воздуха (мокрый термометр в сухом воздухе быстрее охлаждается). Для получения показаний используются специальные психрометрические таблицы. В этом главный недостаток прибора: сложность проведения измерений. Еще одна проблема – такой гигрометр не может работать непрерывно, для каждой процедуры измерений он готовится заранее: необходимо намочить ветошь (губку), запустить вентилятор, дождаться, пока столбики термометров найдут верное положение. Зато психрометрический датчик влажности воздуха с механическим приводом надежен и точен. Стоимость такого прибора также доступна.

Электронные датчики температуры и влажности психрометрического типа работают по такому же принципу. Вместо термометров используются термисторы: электронные компоненты, сопротивление которых зависит от температуры. Подключены по мостовой схеме: при идеальном балансе температур напряжение на выходе нулевое, если происходит разбалансировка показаний – на выходе датчика появляется потенциал. Чтобы определить разность температур, термисторы помещены в две камеры: герметичную с сухим воздухом, и перфорированную, в которой будет реальная влажность по месту измерения. Вариант удобный, универсальный, но его точность весьма условна.

Подобные детекторы применяются в различных электронных схемах контроля. Особенно они популярны при разработке систем на базе Arduino.

Емкостные датчики влажности

Достаточно простые электронные устройства, работа которых основана на изменении электропроводности воздуха в зависимости от насыщения влагой. Фактически – это конденсаторы переменной емкости, величина которой контролируется управляющей схемой. Датчик влажности воздуха емкостного типа использует конденсаторы с воздушной прослойкой между пластинами. Универсальные гигрометры (с твердым диэлектриком) могут измерять количество воду в твердой среде.

Сенсоры надежные и достаточно точные, однако со временем изнашиваются. К неоспоримым преимуществам можно отнести независимость от кислотности среды. Этим обычно грешат резистивные сенсоры.

Оптический датчик влажности

Содержит измерительную зеркальную пластину и чувствительный фотодетектор. Второе наименование измерителя – конденсационный. Принцип действия основан на природе так называемой точки росы. При определенной температуре поверхности, на ней образуется конденсат. Наглядный пример – покрытые росой автомобили, припаркованные на открытом воздухе. Зеркальная пластина последовательно нагревается, выпадение конденсата фиксируется фотодетектором.

Фото-пара тщательно фокусируется: пока зеркальная поверхность чистая, фотоэлемент пропускает электрический ток. После выпадения росы свет рассеивается, сила тока падает, электроника фиксирует этот момент, и вычисляет уровень влажности по запрограммированному алгоритму.

Такие измерители достаточно точны, однако боятся вибраций и достаточно громоздки. Стоимость средняя. Существенный недостаток – необходимо поддерживать поверхность в идеальной чистоте. Кроме того, после применения датчик необходимо просушить для следующего применения. То есть, в реальном времени он не работает. Фактически – состояние измерений «включено» или «выключено».

Резистивный датчик влажности

Представляет собой переменный резистор, сопротивление которого меняется при изменении влажности. На первый взгляд, сенсор похож на емкостной прибор.

На самом деле технология иная. На диэлектрическую подложку наносится ряд электродов или наматывается токопроводящая проволока (две обмотки с гальванической развязкой). Затем пространство между электродами заполняется специальным солевым гелем или токопроводящим полимером. Главное условие – высокая гигроскопичность материала. Попадая во влажную среду, полимер (солевой гель) меняет проводимость. Сопротивление резистора меняется в обратной зависимости: чем выше влажность, тем оно ниже. Изменения фиксируются электроникой. Неоспоримые преимущества такой схемы: высокая точность, стабильность параметров, и долгий срок службы. Недостатки – невозможность работать в агрессивной среде, требуется защита от пыли. Однако вышедший из строя сенсор легко заменить: стоимость невысокая.

Читайте также:  Регулировка момента впрыска камаз 740

Датчик температуры и влажности воздуха может работать в качестве наглядного измерительного прибора, когда показания просто фиксируются наблюдателем.

Однако более целесообразным будет подключение датчика влажности к системе управления процессами. Как минимум, к устройству сигнализации (оповещения). Например, при выращивании сельскохозяйственных культур, датчик, погруженный в почву, может дать команду на полив грунта. В системах автоматического климат-контроля датчики температуры и влажности управляют кондиционерами и обогревательными котлами без участия оператора.

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.

Датчики для твердой среды по принципу действия

Как мы уже говорили, некоторые датчики влажности и температуры воздуха универсальны: могут работать в грунте или сыпучих смесях. Также существуют специализированные приборы для решения подобных задач. Собственно, технологий для измерения содержания влаги в сыпучих средах (почва, сухие смеси и пр.) не так много.

Резистивные датчики

Эти детекторы работают по принципу амперметров: а в качестве резистора в цепи выступает среда измерения. Почва или сухая смесь, в зависимости от насыщения водой, меняет электропроводность (или сопротивление). Соответственно меняется и сила протекающего тока. Подобные датчики могут быть только электронными, поскольку механически обеспечить измерение влажности в твердой среде затратно и нецелесообразно.

Два (или больше, для повышения точности) электрода погружаются в среду измерения.

Модуль управления подает на контакты небольшое напряжение, и замеряет значение электрического тока. Чем больше влаги, тем сильнее электроток. Надежная и довольно точная конструкция, не лишена недостатков. Во-первых, электроды должны быть выполнены из материала, стойкого к коррозии и механическим повреждениям. Во-вторых, при калибровке прибора необходимо учитывать содержание солей в почве (или материале).

Емкостные датчики влажности почвы

Пожалуй, самые популярные устройства среди квартирных «земледельцев». Сегодня стало модным выращивать некоторые продукты питания не на огороде, а например, в квартире в Москве. Для обеспечения хорошего урожая применяются технологии интенсивного земледелия под управлением электроники. Контроллер получает информацию о температуре, уровне влажности и освещенности, и моделирует природные условия для вашей грядки на подоконнике.

Если система управления отлажена, нет необходимости ежедневно контролировать процесс роста растений. Достаточно пополнять емкость для полива, и своевременно собирать урожай.

Преимущество такого прибора – возможность работать «на автомате». Кроме того, такой датчик можно сделать своими руками.

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.

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.

Промышленные датчики температуры и влажности

При наличии средств, все эти приборы можно приобрести в заводском исполнении.

Читайте также:  Андроид плеер с регулировкой громкости на экране

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.

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.

Источник

Виды и принципы работы датчиков влажности

Нередко люди плохо переносят сухой воздух в помещении, поэтому зачастую очень важно контролировать уровень влажности в помещении и не только для заботы о людях. Из-за чрезмерной сухости может случиться пересыхание слизистой оболочки глаз. Также могут пострадать растения и мебель. Но уровень влажности можно контролировать, а для этого существуют специальные приборы — гигрометры. Или датчики влажности. В вашем доме такой датчик поможет поддерживать микроклимат, а на производстве — улучшить точность технологических процессов.

Виды и работа

Гигрометры — изобретены уже давно. Ранние механические приборы работали за счет растяжения человеческого волоса, обычно женского. Теперь линейка таких приборов, как датчики влажности, значительно расширилась.

Вообще есть семь типов измерителей влажности, которые различаются между собой конструкцией и принципом работы:

  1. Емкостные.
  2. Резистивные.
  3. Термисторные или психометрические.
  4. Оптические.
  5. Электронные.
  6. Цифровые.
  7. Механические.

Емкостной датчик влажности

Влагомеры емкостные, если упростить, это конденсатор, в котором в качестве диэлектрика выступает воздух. А воздух должен иметь увлажнённость, которая обладает диэлектрической проницаемостью.

Теперь, если уровень влаги воздуха изменяется — меняется и ёмкость воздушного конденсатора.

Другой вариант — наличие емкостного измерителя увлажненности. Вместо простого воздуха содержится диэлектрик, проницаемость которого находится в прямой зависимости от увлажненной атмосферы. При таком подходе качество и точность замеров улучшается.

Второй вариант прекрасно подходит для замеров нахождения воды в твердых материях. Для получения результата образец для замеров располагается между пластинами такового конденсатора. Его подключают к электронному генератору колебаний. Производится замер частоты колебаний контура. После замеров вычисляется емкость образца, которая находится в прямой зависимости от увлажненности.

Недостатков у данного способа много:

  • влажность образца не должна быть ниже 0.5 %;
  • сам образец тщательно очищается от посторонних примесей;
  • влияет и форма подопытного элемента — она ни в коем случае не должна меняется в процессе замера.

Еще одна разновидность емкостного влагомера — тонкопленочный. Состоит из подложки с двумя гребенчатыми электродами. Они заменяют собой традиционные обкладки. Подложка — гигроскопичная полимерная пленка. Для повышения точности измерений в состав гигрометра включена и пара термодатчиков.

  • компактность.
  • независимость от внешней температуры;
  • устойчивость к высоким температурам и химическим испарениям;
  • быстродействие;
  • линейность шкалы измерений 0–80 %.
  • влияние внешних загрязнений.

Применяется для замеров в средствах автоматизированного контроля относительной влаги атмосферы.

Резистивный датчик влажности

Резистивные влагомеры — конструкция из пары электродов нанесённых на подложку из электропроводящего полимера. Сверху покрывается слоем токопроводящего материала. Очень чувствительным материалом оказался оксид алюминия.

Когда он поглощает атмосферную влагу, его сопротивление начинает изменяться. Иными словами, сопротивление гигрометра находится в прямой зависимости от влажности.

Основной принцип работы состоит в замерах изменения электрического сопротивления в гигроскопичной среде. Величина проходящего тока на данный момент времени показывает значение влажности.

Такие датчики результативны и обладают невысокой стоимостью.

  1. Детекторы обладают малым временем отклика на изменение показателя влажности от 11 до 35 секунд.
  2. К тому же работают в достаточно широком температурном диапазоне от −40о до + 100о.
  3. Небольшие размеры и невысокая стоимость.
  4. Широко используются в офисных системах климат контроля и метеорологическом оборудовании.

К минусам данного датчика можно отнести

  1. Небольшой срок службы — до 5 лет.
  2. Большую чувствительность к химическим и масляным испарениям. Химические пары могут вывести прибор из строя досрочно.
  3. Непроизвольный сдвиг показания датчика при работе в конденсате.
  4. Зависимы от очень высоких температур измерений (более 10 F).

Термисторный датчик влажности

Эти влагомеры состоят из двух одинаковых термисторов. Они обладают большим значением температурного коэффициента сопротивления.

Система работает следующим образом.

Один из двух термисторов находится в воздухонепроницаемой камере, в которой сухой воздух. Второй тоже в камере, но с прорезями, через которые проходит атмосфера помещения, влажность которой предстоит определить.

Термисторы объединяются между собой по мостовому типу. На одну сторону моста поступает напряжение. Температура токопроводящего материала и сопротивление при прохождении тока находятся в прямой зависимости. С другой диагонали — считываются показания разности контрольного и рабочего термистора.

Понятно, что если в обеих камерах на выходе напряжение нулевое, а температуры одинаковы, то и влажность в контрольной и рабочей камере одинаковы. Если напряжение не равно нолю, значит и влагосодержание в этих двух камерах разное. Из этой разности и высчитывается текущая влажность воздуха в данный момент.

Классический датчик относительной влажности — психрометр. Состоит из пары термометров: сухого и увлажненного. Из разности их показаний довольно с большой точностью можно определить влагосодержание воздуха.

Читайте также:  Регулировка корзин сцепления на камаз

Оптические измерители влажности

В этом измерителе влагосодержание определяется на основании эффекта точки росы.

Напомним: Точка росы — это температура выпадения конденсата (влаги) из окружающего воздуха.

Температура образования точки росы находится в прямой зависимости от атмосферного давления и влажности находящейся вокруг среды. Иначе говоря, имея на «руках» такие данные как температура и давление, то можно вычислить и влажность. Это принцип того метода на котором основана работа такого датчика.

Если стеклышко расположить в газообразное окружение, когда температура в момент замера выше точки росы, и потом постепенно охлаждать, то на стеклянной поверхности образуется водяной конденсат.

Теперь остается собрать датчик. Он будет состоять из светодиода, пропускающего свет на зеркальную площадку. Температуру зеркальца плавно можно изменять — подогреть или охладить при помощи специального механизма регулирующего температуру. На зеркальную площадку устанавливается температурный измеритель.

Для определения увлажненности, перед началом измерений температура зеркальца выдерживается выше точки росы. Зеркальце остужается — выступает конденсат. Поток света из светодиода, попадая в эту среду, несомненно, будет преломляться и рассыпаться, что приведет к понижению тока в принимающем фотодетекторе.

Обладая данными о давлении и температуре — вычисляется увлажнённость.

За счет того что нет прямого электрического контакта в системе датчика, им можно определять состояние взрывоопасных газов

Также можно, на основе этого принципа, собрать высокоточный прибор, который может одновременно замерить и концентрацию газов, и их количество.

Оптический влагомер обладает максимальной точностью измерений, если сравнивать другие датчики.

Но надо учитывать его повышенную стоимость и необходимость поддерживать поверхность зеркала идеально чистой.

Гигрометр электронный

Электронный датчик влажности работает за счёт изменения концентрации электролита, нанесенного тонким слоем на электроизоляционный материал.

Применяется принцип «точки росы», которую измеряют над насыщенным составом хлорида лития. Этот состав реагирует даже на малейшее изменение показателя влажности.

Такие приборы дополняются термометром и способны делать замеры влажности с достаточно высокой точностью. Работают вне зависимости от наружной температуры.

Для измерения влажности почвы популярны датчики в виде 2-ух электродов, каковые надо попросту воткнуть в почву. Зная уровень ее влажности можно оборудовать систему автоматического контроля и полива растений.

На рынке существует много разновидностей электронных влагомеров для замеров влажности, как воздуха, так и почвы. С любым шагом диапазона измерений и любого класса точности.

Цифровые

Устройства, как правило, снабжены дисплеем, на который выводятся измеренные, либо рассчитанные параметры. Эту опцию можно переключать или настроить под свои предпочтения.

Работают на базе микропроцессоров. Это дает абсолютную погрешность в измерениях ± 2 % при спектре относительной влажности 10–90 %.

Обновленные версии оборудуются портом microUSB. Это даёт пользователю возможность подключить датчик к ноутбуку стандартным USB — кабелем и с помощью программы Galltec USB Config настроить и откалибровать устройство.

Также теперь с их помощью появилась возможность одновременно подключить несколько датчиков на одной линии, контролировать показатели влажности сразу на большой площади.

Возможности и что они могут:

  1. Есть настраиваемый диапазон преобразования цифрового в аналоговый.
  2. Настроить единицу измерения температуры 0 °C или 0 F.
  3. Настроить диапазон замеров атмосферного давления 600–1070 гПа.
  4. Менять питание датчика. В сервисном режиме датчик может работать от порта USB.
  5. Могут работать с микроконтроллерами в длиннопроводной линии.
  6. Помехоустойчивы.
  7. Просты в эксплуатации.

Цифровые датчики выпускаются промышленно и в разных ценовых категориях. Могут стоить и 2 $ и 150 $. Такой большой разброс цен вполне объясним. Дешевые и дорогие цифровые датчики различаются по:

  • классу точности;
  • быстродействию;
  • возможностью повторного измерения;
  • стабильностью работы;
  • возможностью работы в разных климатических условиях;
  • устойчивостью к внешнему климатическому воздействию.

Из таблицы хорошо видно, в каких областях применяются такие датчики:

Особенности механических гигрометров

Несмотря на простоту устройств, их неоспоримое преимущество — наглядность. Из-за простоты конструкции обладают невысокой стоимостью.

Шкала предельно проста и наглядна. Контролировать атмосферу в помещении можно просто по цвету зоны, в которой находится стрелка. Датчики влажности воздуха им не нужны.

У них нет никаких дополнительных функций — замеряют только относительную влажность окружающей среды.

Поскольку устройства механические, им не нужно дополнительного источника питания.

Конечно, точность таких моделей невысокая, с погрешностью в 5–8 %. Но для домашних измерений влажности в комнате больше и не требуется.

Стационарно крепятся на стену, на равноудаленном расстоянии от входной двери и от окна.

Очень чувствительны к перепадам температуры и не переносят резких ударов и падений с высоты.

Есть модификации влагомеров допустимых к использованию в банях и саунах, где температура воздуха больше 1000 °С.

Увлажнитель воздуха с датчиком влажности

В продаже можно найти кондиционеры с датчиком и увлажнителем воздуха. Но они дорого стоят и их ставят преимущественно организации в помещениях, где показатель влажности должен поддерживаться на определенном уровне. Такими системами оборудованы специальные комнаты, например, сервера.

Для бытового применения больше подходит увлажнитель воздуха с датчиком влажности. Чаще всего устанавливается емкостной или электронный.

Работает в автоматическом режиме — увлажнитель начинает действовать при достижении минимального порога влажности.

Наиболее удобны в применении холодные увлажнители. Работают следующим образом. Вентилятор прогоняет воздух через увлажнительный картридж, который распыляется в помещении с помощью специальной насадки. Электронный датчик влажности сигнализирует прибору о том, когда нужно включить режим распыления.

Заключение

Датчики влажности приобрели большую популярность и применяются во многих сферах:

  • для поддерживания заданного уровня влажности на производствах, где оборудование требовательно к этому показателю;
  • для создания определенного микроклимата в офисных помещениях и в быту;
  • в сфере жилищно-коммунального хозяйства. В котельных и на станциях водоочистки;
  • для предотвращения появления плесени на стенах складских помещений.

Видео по теме

Источник