Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики » Датчики влажности - как устроены и работают
Количество просмотров: 131384
Комментарии к статье: 14


Датчики влажности - как устроены и работают


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.

Применение датчика влажности с ардуино

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:

  • емкостные;

  • резистивные;

  • термисторные;

  • оптические;

  • электронные.

1) Емкостной датчик влажности

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.

Емкостной датчик влажности

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.

емкостный тонкопленочный гигрометр

Третий тип емкостного датчика влажности - это емкостный тонкопленочный гигрометр. Он включает в себя подложку, на которую нанесены два гребенчатых электрода. Гребенчатые электроды играют в данном случае роль обкладок. С целью термокомпенсации в датчик дополнительно вводят еще и два термодатчика.

2) Резистивный датчик влажности

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.

Резистивный датчик влажности

Подходящим материалом в устройстве может выступать оксид алюминия. Данный оксид хорошо поглощает из внешней среды воду, при этом удельное сопротивление его заметно изменяется. В результате общее сопротивление цепи измерения такого датчика будет значительно зависеть от влажности. Так, об уровне влажности станет свидетельствовать величина протекающего тока. Достоинство датчиков такого типа - малая их цена.

3) Термисторный датчик влажности

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.

Один из включенных в схему термисторов размещают в герметичной камере с сухим воздухом. А другой - в камере с отверстиями, через которые в нее поступает воздух с характерной влажностью, значение которой требуется измерить. Термисторы соединяют по мостовой схеме, на одну из диагоналей моста подается напряжение, а с другой диагонали считывают показания.

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

Этот вид датчиков наиболее точен. В основе работы оптического датчика влажности — явление связанной с понятием «точка росы». В момент достижения температурой точки росы, газообразная и жидкая фазы - в условии термодинамического равновесия.

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.

Оптический датчик 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.

Гигрометр электронный

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.

Для растений у Xiaomi есть классный девайс - Smart Flower Monitor (анализатор минерализации и влажности почвы, температуры воздуха, освещенности). Интегрировал пару таких датчиков в Home Assistant, теперь цветы жене уведомления в Телеграм шлют, когда их пора поливать :-)

Михаил Тихончук

Умное сельское хозяйство - это будущее сельской местности. В статье "Как умное сельское хозяйство меняет игру: примеры успеха" мы рассказываем о ключевых изменениях и успешных кейсах, которые стоит изучить всем, кто интересуется сельским хозяйством и инновациями.

Андрей Повный

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики

Подпишитесь на наш канал в Телеграм "Автоматика и робототехника" (современные технологиии, инновации и будущее автоматизации). Нажмите на ссылку ниже и будьте в центре событий в мире автоматики: Автоматика и робототехника 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Измерение температуры и влажности на Arduino – подборка способов
  • Светильники для ванной
  • Оборудование для контроля температуры и влажности в распределительных щитах
  • Подключение вентиляторов в ванной комнате к электрической сети
  • Пример использования современных средств автоматизации в теплице, как сдела ...
  • Чем отличаются аналоговые и цифровые датчики
  • Самые популярные датчики для Ардуино
  • Применение моста Уитстона для измерения неэлектрических величин
  • Какой датчик температуры лучше, критерии выбора датчика
  • Как проверить термодатчик теплого пола
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » Устройства автоматики

    Датчики, Ардуино, Умное сельское хозяйство, Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Николай |

    Мне всегда было интересно как устроены и работают датчики влажности. В будущем планирую сделать у себя автоматический полив растений. Хотелось бы увидеть на сайте продолжение статьи и чтобы в ней были раскрыты вопросы - как правильно выбрать нужные датчики влажности и как их подключить к системе автоматического полива, какие там нюансы, что нужно знать?

      Комментарии:

    #2 написал: ролан |

    хотел бы контролировать влажность в теплице датчиком влажности который будет открывать электроклапан, который будет пропускать воду  для  капельного орошения или туманообразования. Но я хотел бы поместить датчик влажности в колбу куда будет поступать вода после открытия электроклапана. датчик будет стоять наверху колбы. через определенное время колба наполниться водой и датчик покажет влажность 100% и закроет электроклапан. Потом он начнет сохнуть и по достижении заданной влажности опять откроет электроклапан. Я хочу спросить можно ли так работать с датчиком влажности. Не накроется ли он. 

      Комментарии:

    #3 написал: Саян |

    Здравсвуйте!
    Статья хорошая. Но! Важное дополнение. Предлагаю дополнить статью рисунком (графическим символом) международного обозначения датчика влажности в электрических схемах. Особенно это касается оборудования зарубежного производства.

      Комментарии:

    #4 написал: Никита |

    Поясните, пожалуйста, каким образом будет снижаться температура открытого термистора? Насколько я понимаю в этой схеме необходим резервуар с водой, которая будет расходоваться по мере испарения, иначе охлаждения не будет. 

    Схема похоже функционально аналогична аналоговому психрометру - там этот резервуар есть.

      Комментарии:

    #5 написал: Александр |

    Объясните, пожалуйста, как измеряется относительная влажность в облаке?
    Имеется газ и конденсат. По-моему сначала надо перевести конденсат в газ, а потом измерить суммарную относительную влажность.

      Комментарии:

    #6 написал: Константин |

    Про термисторный гигрометр физическая чушь написана. Чем влажнее воздух, тем испаряемость ХУЖЕ, тем температура ближе к реальной хоть и снизу. И вообще чему там испаряться с провоцированием разности температур, если подведения воды к нему нету на схеме.

      Комментарии:

    #7 написал: smc11 |

    Имеются ли данные о работе гигрометра со сжатым воздухом. Думаю врать он будет горазд. Слишком много параметров: скорость расхода, постоянные изменения давления в системе.

      Комментарии:

    #8 написал: Алекс |

    Ёмкостной не эффективен, на кошек срабатывает....
    А кто мешает решить проблему программным путем? Шутка: Научите его распознавать кошку. Не шутка: Складывать и делить некто не запрещает. Программной обработкой поступающих сигналов можно определить какие из них ложные и не учитывать их.

      Комментарии:

    #9 написал: Павел |

    Еще одним инновационным способом является использование тонких пленочных датчиков влажности. Низкая стоимость позволяет их наносить на строительные материалы на больших площадях для последующего контроля утечек. В этом случае сенсоры могут передавать информацию, используя беспроводные технологии и, таким образом, предоставлять возможности мониторинга и контроля на небывалом ранее уровне. 

      Комментарии:

    #10 написал: Роберт |

    Датчики влажности широко распространены в офисах, промышленных зданиях, а также все чаще и чаще в домах и автомобилях. В компаниях, связанных с электронной промышленностью, где есть зоны, называемые чистыми рабочими помещениями, постоянной практикой является мониторинг условий окружающей среды, благодаря чему параметры систем отопления или вентиляции можно изменять в режиме реального времени. 

      Комментарии:

    #11 написал: Михаил |

    Датчики влажности - это электронные приборы, которые используются для измерения содержания влаги в воздухе или в других средах. Они находят широкое применение в различных областях, таких как сельское хозяйство, медицина, строительство, автомобильная промышленность и т.д.

    Существует несколько типов датчиков влажности, но наиболее распространены следующие два:

    1. Емкостные датчики влажности работают на основе изменения емкости конденсатора при изменении влажности в окружающей среде. Конденсатор состоит из двух электродов - проводника и изолятора между ними. Когда в окружающей среде повышается влажность, изолятор в конденсаторе поглощает влагу, что приводит к увеличению емкости. С помощью электронной схемы, емкость измеряется и преобразуется в цифровой сигнал, который затем может быть интерпретирован и использован.

    2. Резистивные датчики влажности используют изменение сопротивления материала в зависимости от влажности окружающей среды. Резистивный датчик влажности состоит из двух проводников, разделенных материалом, чувствительным к влаге. Когда материал поглощает влагу, сопротивление между проводниками изменяется, что можно измерить и преобразовать в цифровой сигнал.

    ролан, Ваш подход может работать, но есть несколько важных моментов, которые стоит учитывать.

    Во-первых, необходимо выбрать датчик влажности, который будет устойчив к погружению в воду. Некоторые датчики могут выйти из строя, если их положить в воду на длительное время.

    Во-вторых, необходимо убедиться, что датчик влажности установлен в верхней части колбы, так как он должен контролировать уровень влажности воздуха, а не воды. Если вы поместите датчик влажности слишком близко к воде, то он будет измерять влажность воздуха только над водой, что может быть недостаточно точным.

    Наконец, убедитесь, что вы выбрали правильный тип клапана, который может быть управляемый с помощью Ардуино или другого контроллера, чтобы управлять подачей воды. Некоторые электроклапаны могут не подходить для подачи воды в туманообразователь или капельное орошение.
    Александр, Измерение относительной влажности в облаке может производиться различными способами, но основой является принцип конденсации водяного пара.

    Один из методов - использование метеорологических зондов, которые пускаются в атмосферу для измерения метеорологических параметров. Метеорологический зонд содержит датчик влажности, который измеряет относительную влажность воздуха вокруг зонда. При подъеме зонда в атмосфере температура падает, и если относительная влажность воздуха достигает 100%, водяной пар начинает конденсироваться на датчике влажности. Это можно использовать для измерения точки росы и относительной влажности воздуха в облаке.

    Еще один метод - измерение радиолокационного отражения от частиц в облаке. Вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, поэтому облака содержат большое количество воды, которая может рассеивать радиоволны. Радиолокационные измерения могут использоваться для оценки концентрации водяных частиц в облаке, а относительную влажность можно определить, используя физические модели и алгоритмы обработки данных.

    В обоих случаях измерение относительной влажности в облаке основано на конденсации водяного пара и измерении количества воды в воздухе. Перевод конденсата в газ обычно не требуется, так как относительная влажность может быть измерена непосредственно во влажном воздухе.
    Константин, Термисторный гигрометр измеряет относительную влажность воздуха на основе изменения сопротивления термистора при изменении влажности. Когда воздух более влажный, то это может привести к тому, что на термисторе образуется конденсат, который может изменить сопротивление термистора и, следовательно, вносить ошибку в измерение.
    smc11, Гигрометры работают на основе изменения свойств материалов в зависимости от влажности окружающей среды, поэтому их работа не зависит от давления. Однако, при использовании гигрометра со сжатым воздухом следует учитывать влияние температуры на измерения, так как сжатый воздух может прогреваться в процессе работы и влиять на точность измерений. Также необходимо учитывать скорость расхода воздуха, так как она может повлиять на точность измерений, особенно если гигрометр находится в конце длинной трубы. В целом, при правильном подходе и учете всех факторов, гигрометры могут работать со сжатым воздухом.

    Алекс, Действительно, программная обработка сигналов может помочь устранить ложные срабатывания ёмкостного датчика влажности. Например, можно установить пороговое значение, при котором датчик будет считать, что влажность достаточно высока для срабатывания. Также можно добавить фильтры, которые исключат ложные срабатывания, такие как "дребезг контактов", вызванный изменением параметров среды, а не действительным увеличением влажности. Однако, следует учитывать, что ёмкостной датчик влажности все же может давать неточные результаты в определенных условиях, например, при высокой температуре или в условиях сильных электромагнитных помех. Поэтому, при выборе датчика влажности, необходимо учитывать характеристики среды, в которой он будет работать, и выбрать наиболее подходящий тип датчика.

      Комментарии:

    #12 написал: Олег |

    TSL230R - это датчик температуры и влажности, который может использоваться для измерения параметров окружающей среды. Он имеет высокую точность измерений и может работать в широком диапазоне температур и влажности. Датчик TSL230R может быть использован в различных приложениях, таких как системы контроля климата, бытовая техника и промышленные системы. TSL230R можно заменить другими датчиками температуры и влажности, например, SHT20, DHT11 или BME280. Каждый из этих датчиков имеет свои особенности и подходит для разных приложений. Например, SHT20 обладает высокой точностью и быстродействием, но имеет ограниченный диапазон температур и влажности. DHT11 является одним из самых популярных датчиков температуры и влажности благодаря своей низкой цене и простоте использования, но его точность может быть недостаточной для некоторых приложений. BME280 - это более сложный и дорогой датчик, который измеряет температуру, влажность и давление, но он также обладает высокой точностью и широким диапазоном измерений.

      Комментарии:

    #13 написал: Сергей |

    Датчики влажности используются для измерения уровня влажности в воздухе. Они могут быть использованы в различных приложениях, таких как контроль влажности в помещениях, измерение влажности почвы, измерение влажности воздуха в промышленности и т.д.

    Существует несколько типов датчиков влажности, включая емкостные, резистивные, инфракрасные и другие. Емкостные датчики основаны на изменении емкости конденсатора при изменении влажности воздуха. Резистивные датчики используют изменение сопротивления чувствительного элемента в зависимости от влажности. Инфракрасные датчики измеряют влажность на основе поглощения инфракрасного излучения водяным паром в воздухе.

    Датчики влажности могут быть интегрированы в различные системы, такие как системы контроля климата, системы автоматического полива и другие. Они также могут использоваться для контроля влажности в жилых помещениях, чтобы обеспечить комфорт и здоровье жителей.

      Комментарии:

    #14 написал: Алексей |

    Емкостные датчики влажности основаны на изменении емкости конденсатора при изменении влажности воздуха. Они обладают высокой точностью и быстродействием, но чувствительны к температуре и загрязнению. Резистивные датчики влажности используют зависимость сопротивления некоторых материалов от влажности. Они просты в использовании, но имеют меньшую точность и медленнее реагируют на изменение влажности. Кроме того, существуют оптические датчики влажности, основанные на измерении интенсивности поглощения излучения водяным паром, однако они используются реже из-за высокой стоимости. 

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.