Датчик влажности для чего нужен
Датчики влажности: типы и принцип работы, схемы подключения
Повышенная влажность в помещении может привести к раскисанию обоев, создает благоприятную среду для образования грибков и плесени, размножения насекомых и т.д. При недостатке влаги в воздухе пересыхают стены, ухудшается самочувствие жильцов, происходит преждевременное растрескивание материалов. Для предотвращения негативных последствий из-за несоблюдения микроклимата в помещении производится постоянный контроль концентрации воды в воздухе. Неоценимую помощь в решении данной задачи оказывает датчик влажности.
Типы и принцип работы
Количество влаги в окружающем пространстве вычисляется как масса воды в кубометре воздуха и определяется, как процент насыщения. В основе работы любого датчика влажности лежит перевод физического количества влаги в электрический сигнал. По способу определения количества воды датчики влажности могут использовать прямой или косвенный метод измерения. В зависимости от принципа действия все устройства условно подразделяются на шесть типов, которые мы и рассмотрим более подробно.
Резистивный
Представляет собой один из наиболее дешевых типов датчиков влажности. В основе его работы лежит свойство некоторых проводящих материалов впитывать влагу, за счет чего изменяется омическое сопротивление элемента.
В качестве таких материалов применяются порошковые пористые структуры, чаще всего, оксид алюминия. Порошок наносят на плату между двумя электродами, выполненными в виде дорожек, и запекают до состояния пленки. Наличие пленочной поверхности предотвращает последующее растворение керамического порошка и образование конденсата в его структуре. Однако при взаимодействии с молекулами воды, содержащимися в воздухе, пленка меняет физические свойства.
Так, в относительно сухом состоянии проводимость датчика влажности характеризуется номинальной величиной. Но, по мере накопления влаги на поверхности пленки сопротивление такого резистора пропорционально уменьшиться, проводимость возрастет, как и величина протекающего в цепи тока. За счет измерения тока или падения напряжения на резистивном элементе осуществляется контроль влажности.
Емкостной
Емкостной датчик влажности функционирует по принципу классического конденсатора, обкладки которого взаимодействуют с воздухом окружающего пространства. Всего выделяют три основных вида емкостных сенсоров, отличающихся конструктивными особенностями:
Термисторный
В основе работы такого датчика влажности лежит термистор – нелинейный резистор, чье сопротивление напрямую зависит от температуры окружающей среды. Термистор обладает нелинейной вольтамперной характеристикой, при малейшем изменении температуры элемента омическое сопротивление также меняется.
Рис. 3. Термисторный датчик влажности
Принцип действия термисторного датчика влажности основывается на сравнении показаний двух термисторов. Один из них размещается в герметичной капсуле с сухим воздухом и является базисным параметром. Второй термистор устанавливается в перфорированную капсулу, которая взаимодействует с воздушными массами. Оба термистора располагаются в плечах измерительного моста для сравнения показаний.
При увлажнении воздушного пространства термистор в перфорированной капсуле покрывается влагой. Слой жидкости начинает испаряться с поверхности резистора, благодаря чему он быстрее остывает, в результате чего меняются характеристики устройства. В виду наличия разницы сопротивления двух термисторов мост выйдет из состояния равновесия. Чем больше влажность, тем сильнее изменится электрическая величина, по мере изменения тока или напряжения будет определяться степень влажности.
Оптический
Оптический датчик влажности работает по принципу определения точки росы – состояния среды, при котором парообразная влага из воздуха оседает в виде капель на поверхности. Принцип действия такого устройства основан на такой последовательности операций:
Оптический датчик влажности считается наиболее точным, но и наиболее дорогим. Основной сложностью в эксплуатации такого устройства является необходимость содержания поверхности в чистоте, иначе точность измерений существенно снизится.
Электронный
В основу работы электронного датчика влажности заложен принцип изменения состояния электролита, в зависимости от фактора влажности. Такое устройство оснащается зондом, как правило, с двумя разнесенными электродами. Электроды помещаются в контролируемое пространство и при подаче напряжения начинают проводить электрический ток. По мере увлажнения промежутка между электродами проводимость увеличится и возрастет сила тока.
Таки модели отлично подходят для электронных систем в качестве измерительного органа, анализирующего уровень влажности. Они могут подключаться к простейшим микроконтроллерам или реле.
Механический
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.
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.
Как видите, на данной схеме представлен принцип работы датчика влажности через аналоговый сигнал. Здесь подключение производится подключение выводов сенсора к клеммам микроконтроллера Ардуино:
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.
Сферы применения
Вода играет немаловажную роль не только в жизни человека, но и в ряде технологических процессов. Поэтому сфера применения датчика влажности достаточно обширна:
Характеристика и виды датчиков влажности, правила подключения
Уровень влаги играет важную роль как в жилом, так и в промышленном помещении. Это состояние напрямую влияет на здоровье человека (особенно страдающего от болезней дыхания), на рабочий потенциал техники и оборудования на производстве, а также на безопасность систем, где не допускается конденсат. Для контроля этого показателя разработан специальный прибор — гигрометр. В обыденной жизни его еще называют датчиком влажности.
Терминология
Чтобы использование датчика влажности было полезным, нужно понять его конструкцию и действие. Многие пользователи не понимают его эффективности и принципа устройства, отсюда возникают сложности.
Влажность воздуха условно делится на абсолютную и относительную. Абсолютная соответствует измерению объема воды в воздушной массе. Существует предельный порог насыщения, который соответствует 100 %. От этого показателя начинается следующий процесс, именуемый конденсацией.
Нередко приборы собираются с дополнительным датчиком температуры, по которому определяется взаимосвязь между температурой среды и количеством влаги в воздухе.
Относительная влажность воздуха измеряется соотношением влагоемкости к абсолютной влажности. Чем выше относительная влажность, тем выше “точка росы”, соответственно ближе к фактической температуре воздуха.
Описание и назначение
Датчик влажности — устройство, предназначенное для измерения и преобразования относительной влажности в цифровой сигнал, а также в стандартный сигнал напряжения.
Защитные покрытия датчика позволяют использовать устройство в различных окружающих условиях и задачах, а также в управлении показателем влагосодержания: для автоматизации зданий, для контроля сушки при химическом производстве, в сельском хозяйстве.
Методы измерения влажности условно делятся на прямые и косвенные. В прямых методах осуществляется распределение исследуемого материала конкретно на сухое вещество и влагу. Косвенными методами измеряют физические величины, которые связанные с влажностью материала.
В помещениях повышенной влажности принято устанавливать вентилятор, в котором имеется гидростат — датчик влажности, выполняющий анализ насыщения воздуха в ванной водяными парами. Подобное устройство будет включаться лишь в условиях превышения нормы влажности.
Для качественного воздухообмена в ванной вместо вентиляционной решетки устанавливается вентилятор со встроенным датчиком влажности.
Виды и их принципы работы
Емкостной
Емкостной датчик является самым простым и представляет собой конденсаторы с воздухом между двух пластин. В сухом состоянии воздух не проводит электрический ток. Емкость определяется способностью хранить электрический заряд и меняется при изменении строения датчика.
Второй тип заключается в емкостном датчике с диэлектриком, который значительно чувствителен к влажной окружающей среде в отличие от датчика с воздухом. Конденсатор подключается к генератору, а предмет располагается между пластинами. Измеряется частота контура колебаний и вычисляется емкость.
Третий вариант емкостного датчика представляет собой подложку с двумя электродами в виде гребенки. Они выполняют роль обкладок. Для компенсации температуры в 1 датчик включены 2 термоэлемента.
Датчики с аналоговым выходом создают электромагнитное поле на участке реагирования датчика, который срабатывает на приближение или удаление от активной поверхности металлических веществ и преобразует показатель этого расстояния в аналоговый сигнал по току или напряжению с линейной зависимостью.
Резистивный
Резистивный датчики отслеживают перемену электрического сопротивления среды. В их конструкции применяют керамическое покрытие для исключения слияния состояния окружающей среды при образовании конденсата. Датчики сооружают из подложки, на поверхности которой имеется проводящий электролит, с нанесенными на нее электродами. Их помещают в защиту из пластика.
Соединяющим материалом выступает керамический порошок, взвешенный в жидкой среде. После покрытия и высушивания датчики поддаются высокой температуре. От чего образуется толстопленочное покрытие, которое не растворяется в воде и полностью предотвращает образование конденсата.
В резистивных датчиках имеется бифилярная намотка. После покрытия гигроскопическим полимером, их сопротивление оказывается обратно пропорциональным влажности.
Термисторный
Этот вид датчика основаны на термисторах. Они определяют влажность по колебанию теплопроводности газов. Такие датчики сделаны из двух очень маленьких термисторов, зафиксированных при помощи очень тонких проводов для уменьшения тепловых потерь за счет теплопроводности через корпус.
Сопротивление у термистора в большой степени меняется при небольшом изменении температуры. В датчике один термистор встроен в герметичную камеру с сухим воздухом, а другой имеет прямой контакт с окружающей средой. Пары влаги частично конденсируются и испаряются при попадании на второй термистор. При этом изменяется его температура и сопротивление. Сравнение сопротивления двух термисторов и дает представление о степени увлажненности воздуха.
Оптический
Наибольшая точность отслеживания влажности среды показывается оптическими датчиками. Цена такого датчика выше иных видов, но при этом гарантирована точная диагностика.
Помимо высокой стоимости необходимо знать, что у него большая вероятность загрязнений оптического стекла. И к тому же потребляется значительный размер электричества.
Большинство датчиков влажности обладают плохой воспроизводимостью, и они выдают не точные измерения. Исходя из этого свойства применяют косвенные методы определения влажности, самым эффективным из которых стало вычисление абсолютной и относительной влажности при температуре термодинамического равновесия жидкости и газа в воздухе.
Температуре точки росы соответствует определенное значение давления насыщенного пара. Поэтому, измеряя температуру точки росы при известном значении давления, можно определить абсолютную влажность.
Электронный датчик
Срабатывание датчика происходит при изменении электролита, которым покрыт изоляционный материал. Существуют аппараты с автоподогревом, которые поддерживают температуру точки росы.
Принцип действия датчика заключается в реакции раствора хлорида лития, который очень чувствителен к даже незначительным колебаниям влажности. Над этим раствором проводится замер точки росы. Для наибольшей эффективности гигрометра к нему присоединяют термометр, который придает ему работу с повышенной точностью. Причем нельзя полностью исключать незначительную погрешность. Он может измерить влажность при любой температуре среды.
В последнее время нашли применение цифровые электронные датчики, которые относятся к высокоточным приборам с функцией контроля климата в помещении. Сенсорный экран определяет показатели температуры и процента влажности. В случае отклонения от заданных параметров он сообщает владельцу, как правило, звуковым или световым сигналом. Это позволяет быстро настроить необходимый параметр.
Наиболее распространены обычные электронные гигрометры с двумя электродами. В землю помещаются два электрода. По степени проводимости тока определяют влажность.
Канальный
Канальный датчик применяется для определения влажности неагрессивной среды. Воздух не должен быть загружен пыльными массами, иначе возникает большая погрешность и невозможность справиться со своей функцией.
Цифровой влагоустойчивый датчик определяет относительную влажность. А также способен срабатывать по настроенным диапазонам показателей.
Обзор популярных устройств
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
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.
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.
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.
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.
Особенности подключения
Многие датчики подключаются к системе без особых требований. Предварительно вскрыв крышку устройства, необходимо протянуть кабеля внешних сигналов и подключить в сеть.
При первоначальном подключении датчика в сеть на нем заложены заводские установки, которые можно наладить на свое усмотрение. Причем есть возможность запрограммировать настройки через интерфейс или через другие каналы передачи, такие как Интернет или USB.
Правила эксплуатации
Правила эксплуатации подразумевают соблюдение требований по безопасности использования и необходимых мер для увеличения срока использования. Поэтому не допускается попадание влаги на внутренние электро– и радиоэлементы прибора. Не допускается эксплуатация прибора в химически агрессивных средах с содержанием кислот, щелочей.
Опасно для человека касание рабочей поверхности элемента руками. Длительное нахождение прибора при высокой относительной влажности может привести к дрейфу его характеристик и ухудшению точности измерений.
Прибор, которым измеряют уровень влажности, называется гигрометром или просто датчиком влажности. В повседневной жизни влажность выступает немаловажным параметром, и часто не только для самой обычной жизни, но и для различной техники, и для сельского хозяйства (влажность почвы) и много для чего еще.
В частности, от степени влажности воздуха немало зависит наше самочувствие. Особенно чувствительными к влажности являются метеозависимые люди, а также люди, страдающие гипертонической болезнью, бронхиальной астмой, заболеваниями сердечно-сосудистой системы.
При высокой сухости воздуха даже здоровые люди ощущают дискомфорт, сонливость, зуд и раздражение кожных покровов. Часто сухой воздух может спровоцировать заболевания дыхательной системы, начиная с ОРЗ и ОРВИ, и заканчивая даже пневмонией.
На предприятиях влажность воздуха способна влиять на сохранность продукции и оборудования, а в сельском хозяйстве однозначно влияние влажности почвы на плодородие и т. д. Здесь и спасает применение датчиков влажности — гигрометров.
Какие-то технические приборы изначально калибруются под строго требуемую важность, и иногда чтобы провести точную настройку прибора, важно располагать точным значением влажности в окружающей среде.
Влажность может измеряться несколькими из возможных величин:
Для определения влажности как воздуха, так и других газов, измерения проводятся в граммах на кубометр, когда речь об абсолютном значении влажности, либо в единицах RH, когда речь о влажности относительной.
Для измеряется влажности твердых тел или в жидкостях подходят измерения в процентах от массы исследуемых образцов.
Для определения влажности плохо смешиваемых жидкостей, единицами измерения будут служить ppm (сколько частей воды приходится на 1000000 частей веса образца).
По принципу действия, гигрометры делятся на:
1) Емкостной датчик влажности
Емкостные гигрометры, в самом простом случае, представляют собой конденсаторы с воздухом в качестве диэлектрика в зазоре. Известно, что у воздуха диэлектрическая проницаемость непосредственно связана с влажностью, а изменения влажности диэлектрика приводят и к изменениям в емкости воздушного конденсатора.
Более сложный вариант емкостного датчика влажности в воздушном зазоре содержит диэлектрик, с диэлектрической проницаемостью, могущей сильно меняться под влиянием на него влажности. Данный подход делает качество датчика лучше, чем просто с воздухом между обкладками конденсатора.
Второй вариант хорошо подходит для проведения измерений относительно содержания воды в твердых веществах. Исследуемый объект размещается между обкладками такого конденсатора, к примеру объектом может быть таблетка, а сам конденсатор присоединяется к колебательному контуру и к электронному генератору, при этом измеряется собственная частота полученного контура, и по измеренной частоте «вычисляется» емкость, полученная при внесении исследуемого образца.
Безусловно, данный метод обладает и некоторыми недостатками, например при влажности образца ниже 0.5% он будет неточным, кроме того, измеряемый образец должен быть очищен от частиц, имеющих высокую диэлектрическую проницаемость, к тому же важна и форма образца в процессе измерений, она не должна изменяться в ходе исследования.
2) Резистивный датчик влажности
Такой датчик включает в себя два электрода, которые нанесены на подложку, а поверх на сами электроды нанесен слой материала, который отличается достаточно малым сопротивлением, сильно, однако, меняющимся в зависимости от влажности.
3) Термисторный датчик влажности
Термисторный гигрометр состоит из пары одинаковых термисторов. К слову напомним, что термистор — это нелинейный электронный компонент, сопротивление которого сильно зависит от его температуры.
В случае, когда напряжение на выходных клеммах равно нулю, температуры обоих компонентов равны, следовательно одинакова и влажность. В случае, когда на выходе будет получено не нулевое напряжение, то это свидетельствует о наличии разности влажностей в камерах. Так, по значению полученного при измерениях напряжения определяют влажность.
У неискушенного исследователя может возникнуть справедливый вопрос, почему же температура термистора меняется при его взаимодействии с влажным воздухом? А дело все в том, что при увеличении влажности, с корпуса термистора начинает испаряться вода, при этом температура корпуса уменьшается, и чем выше влажность, тем более интенсивно происходит испарение, и тем стремительнее остывает термистор.
4) Оптический (конденсационный) датчик влажности
Так, если взять стекло, и установит в газообразной среде, где температура в момент исследования выше точки росы, а затем начать процесс охлаждения данного стекла, то при конкретном значении температуры на поверхности стекла начнет образовываться водяной конденсат, это водяной пар станет переходить в жидкую фазу. Данная температура и будет как раз точкой росы.
Так вот, температура точки росы неразрывно связана и зависит от таких параметров как влажность и давление в окружающей среде. В результате, имея возможность измерения давления и температуры точки росы, получится легко определить и влажность. Этот принцип служит основой для функционирования оптических датчиков влажности.
Простейшая схема такого датчика состоит из светодиода, светящего на зеркальную поверхность. Зеркало же отражает свет, меняя его направление, и направляя на фотодетектор.
В данном случае зеркало можно подогревать или охлаждать посредством специального устройства регулирования температуры высокой точности. Часто таким устройством выступает термоэлектрический насос. Конечно же, на зеркало устанавливают датчик для измерения температуры.
Прежде чем начать измерения, температуру зеркала выставляют на значение, которое заведомо выше температуры точки росы. Дальше осуществляют постепенное охлаждение зеркала.
В момент, когда температура начнет пересекать точку росы, на поверхности зеркала тут же начнут конденсироваться капли воды, и световой луч от диода приломится из-за них, рассеется, а это приведет к уменьшению тока в цепи фотодетектора. Через обратную связь фотодетектор взаимодействует с регулятором температуры зеркала.
Так, опираясь на информацию, полученную в форме сигналов от фотодетектора, регулятор температуры станет удерживать температуру на поверхности зеркала точно равной точке росы, а термодатчик соответственно покажет температуру. Так, при известных давлении и температуре можно точно определить основные показатели влажности.
Оптический датчик влажности обладает самой высокой точностью, недостижимой другими типами датчиков, плюс отсутствие гистерезиса. Недостаток — самая высокая цена из всех, плюс большое потребление электроэнергии. К тому же необходимо следить за тем, чтобы зеркало было чистым.
5) Гигрометр электронный
Принцип работы электронного датчика влажности воздуха основан на изменении концентрации электролита, покрывающего собой любой электроизоляционный материал. Существуют такие приборы с автоматическим подогревом с привязкой к точке росы.
Часто точка росы измеряется над концентрированным раствором хлорида лития, который является очень чувствительным к минимальным изменениям влажности. Для максимального удобства такой гигрометр зачастую дополнительно оборудуют термометром.
Этот прибор обладает высокой точностью и малой погрешностью. Он способен измерять влажность независимо от температуры окружающей среды.
Популярны и простые электронные гигрометры в форме двух электродов, которые просто втыкаются в почву, контролируя ее влажность по степени проводимости в зависимости от этой самой влажности. Такие сенсоры популярны у поклонников Ардуино, поскольку можно легко настроить автоматический полив грядки или цветка в горшке, на случай если поливать в ручную некогда или не удобно.
Прежде чем купить датчик, подумайте, что вам нужно будет измерять, относительную или абсолютную влажность, воздуха или почвы, каков предвидится диапазон измерений, важен ли гистерезис, и какая нужна точность. Самый точный датчик — оптический. Обратите внимание на класс защиты IP, на диапазон рабочих температур, в зависимости от конкретных условий, где будет использоваться датчик, подойдут ли вам параметры.