Датчики влажности - принцип работы, устройство, виды, применение

Опубликовано: 04.09.2018

Для многих производственных процессов очень важно поддерживать необходимый микроклимат, в частности, определенное содержание паров воды в воздухе или газе. Для этой цели используются такие приборы, как гигрометр и гигростат. Первые измеряют содержание водяных паров, вторые поддерживают их необходимый уровень. На рисунке 1 показано устройство Роса-10, используемое как в промышленности, так и сельском хозяйстве.

Рисунок 1. Отечественные приборы Роса-10 в различном исполнении

Но датчик влажности применяется не только в производстве (например, для определения характеристик древесины), с его помощью можно регулировать сухость воздуха в помещении (рис.2), измерять насыщение почвы водой и т.д. Предлагаем рассмотреть устройство и принцип работы таких приборов. Это существенно поможет их правильному применению в бытовой сфере, например, чтобы сделать вытяжной вентилятор в ванную, терморегулятор для бани или самодельный датчик температуры и влажности в теплицу.

Обзор Датчиков.Датчики температуры

Рисунок 2. Все современные климатические системы снабжены модулем, измеряющим влажность

Прежде чем перейти к теории, определимся с терминологией.

Терминология

Под абсолютной влажностью подразумевают содержание воды (в граммах) в одном кубометре воздуха. Соответственно, единица измерения этой величины – г/м3. Состояние, при котором содержание воды в газе достигает максимальной величины (100%), называется порогом максимального насыщения или влагоемкостью. При достижении этого предела начинается процесс конденсации.

Необходимо заметить, что влагоемкость прямо пропорциональна температуре: чем она выше, тем большее количество воды может содержаться в том же объеме газа. Именно поэтому цифровой или аналоговый модуль измерения влажности практически всегда снабжен датчиком температуры.

Перейдем к определению, описывающему относительную влажность. Эта величина показывает соотношение влагоемкости и абсолютной влажности, соответствующие температурному режиму на момент измерения. Состояние, при котором эти величины сравняются, называется «точка росы».

Теперь, когда мы определились с терминологией, рассмотрим существующие типы датчиков и узнаем, по какому принципу работает каждый из них.

Виды датчиков и их принцип работы

Наибольшее распространение получили четыре типа приборов, каждый из них имеет свою специфику эксплуатации:

Емкостной. По сути это обычный воздушный конденсатор. Принцип работы основан на изменении диэлектрических свойств воздуха, в зависимости от содержания в нем водяных паров, что вызывает увеличение или уменьшение емкости.

Рисунок 3. Емкостной датчик НСН-1000 с широким диапазоном измерения влажности Резистивный. В основу работы такого устройства заложен принцип изменения сопротивления гигроскопического материала, в зависимости от содержания в нем влаги. В качестве примера можно привести детектор SYH-2RS (рис. 4).

Рисунок 4. Датчик воды SYH-2RS

Поскольку детекторы данного типа чаще всего используются в любительских схемах, мы еще вернемся к рассмотрению их устройства.

Психометрический. Принцип действия этого типа построен на физическом свойстве потери тепла при испарении. В конструкции используется сухой и влажный детектор, разница температур между ними позволяет определить содержание водяного пара в воздухе. Ранее для этого использовались специальные психометрические таблицы, появление цифровой техники существенно упростило процесс.

Рисунок 5. Измеритель влажности ВИТ-1 и его цифровой аналог Аспирационный. Данный тип от предыдущего отличается наличием вентилятора для принудительного нагнетания воздушной смеси или газа. На рисунке 6 демонстрируется подобная модель. Такой прибор нашел широкое применение в тех местах, где слабое или прерывистое движение воздуха.

Рисунок 6. Аспирационный измеритель влажности МВ-4М

Мы привели наиболее распространенные виды детекторов, на самом деле их значительно больше. Например, есть еще оптический датчик, где используется рассеивание света при образовании конденсата по достижению точки росы, термический (задействованы два терморезистора в открытой и герметичной камере), канальный и т.д.

Устройство детекторов резистивного типа

Теперь, как и обещали, рассмотрим конструктивные особенности сенсоров резистивного типа на примере модели SYH-2RS.

Рисунок 7. Устройство резистивного сенсора

1) – вид сбоку; 2) – вид сверху.

Обозначения:

а – керамическая подложка; b – напыленные электроды; c – гигроскопичное покрытие на основе оксида алюминия.

Как видите, конструкция сенсора довольно простая, этим и обуславливает низкая стоимость устройств данного типа. А если еще принять во внимание взаимозаменяемость таких элементов, то неудивительно, что в большинстве самодельных устройств для дома (например, датчик протечки воды) радиолюбители предпочитают использовать резистивные сенсоры.

Краткий обзор имеющихся на рынке устройств их применение

Рассмотрим приборы, которые могут быть полезны в быту, начнем с реле влажности воздуха HIG-2 (рис.8), служащего для управления вытяжкой в ванной.

Рисунок 8. Модуль HIG-2 с релейным выходом

Основные характеристики:

устройство запитывается от домашней электросети с напряжением 220 В; срабатывание при относительной влажности от 60% до 90% (устанавливается); допустимый ток нагрузки – не более 2 А; время работы вентилятора после срабатывания задается таймером (2-20 мин.).

Как подключить датчик влажности HIG-2?

Для правильного подключения устройства достаточно придерживаться схемы, приведенной в инструкции к прибору, она показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема подключения вентилятора к модулю контроля влажности

На клемнике прибора есть соответствующие обозначения, поэтому сложностей эта операция не вызовет. Если электропроводке квартиры или на самом вентиляторе не предусмотрено заземление, то его можно не подключать, так же не обязательно ставить на вход питания выключатель.

Тех, кого увлекает концепция «умного дома», наверняка заинтересует внешний сенсор Mi Smart (рис. 10). При установке на смартфон специального приложения можно получать информацию о температуре и влажности в квартире. Если задать в такой программе определенные параметры микроклимата, то она известит, если условия будут нарушены.

Рисунок 10. Беспроводной сенсор производства компании Xiaomi

Заметим, что у этого устройства довольно низкая погрешность измерений (для влажности она в пределах 3%, что касается температуры, то точность показаний порядка 0,3 С°). Существенный недостаток – нерусифицированное программное обеспечение, но данная проблема будет решена в ближайшее время.

Тем, кто хочет сделать для теплицы капельный полив с датчиком влажности, можно порекомендовать сенсор Gardena (рис. 11), который регулирует работу клапанов систем этого же производителя.

Рисунок 11. Сенсор Gardena, управляющий системой полива

Для питания устройства используются две алкалиновые батарейки, их заряда хватает на 10-12 месяцев непрерывной работы.

Теперь рассмотрим характеристики промышленной модели цифрового измерителя Ивит-М.Т (рис. 12), который может применяться в производственной сфере, сельском хозяйстве или ЖКХ.

Рисунок 12. Измеритель влажности с выносным датчиком из серии ИВИТ-М

Перечень основных характеристик:

для питания прибора необходимо напряжение 18-36 В; относительная влажность может быть измерена в диапазоне от 5 % до 95 % (максимальная погрешность не более 4 %); измерение температуры воздуха в пределах от -40 С° до 50 С° (модификации Н1, V) или от -40С° до 60°(модели Н2, К1, К2), точность 2 С°; прибор может эксплуатироваться в температурном диапазоне от -40 С° до 50 С°.

Любителей поэкспериментировать наверняка заинтересуют сенсоры DHT11 и DHT22 (рис. 13), которые используются вместе с платформой Ардуино. В сети можно найти много интересных решений на этой элементной базе.

Рисунок 13. Сенсоры влажности для платформы Arduino

a) DHT22; b) DHT11.

Как видно из рисунка внешний вид этих датчиков практически идентичен, это же касается и распиновки. Технические характеристики сенсоров очень похожи, за исключением точности и диапазона измерений. Приведем эти данные.

Основные технические параметры DHT11:

подключение к источнику постоянного напряжения 3-5 В; в процессе запроса пиковый уровень потребляемого тока не более 2,5 мА; границы измеряемой влажности и температуры – 20-80 % и 0-50 С°, погрешность 5% и 2 С°; частота выборки 1 Гц, то есть получать данные можно один раз в течение секунды.

Теперь сравним эти параметры с более точной моделью DHT22:

напряжение источника питания остается без изменений, как и потребляемы ток при передаче данных; влажность измеряется во всем диапазоне 0-100 %, погрешность в пределах 2-5 %; границы замеряемой температуры существенно расширены, по сравнению с предыдущей моделью, минимальная -40 С°, максимальная +125 С°.

Стоимость этих приборов вполне доступна на Алиэкспрессе их можно заказать с бесплатной доставкой по $1.28 (DHT11) и $4,9 (DHT22). Если покупать в России цена будет примерно в полтора-два раза дороже. Что касается базовой платформы, то плату Arduino Uno можно приобрести в Поднебесной за $25-$48 (стоимость зависит от комплектации). Программное обеспечение и прошивки скачиваются бесплатно.