Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Підвищена вологість у приміщенні може призвести до розкидання шпалер, створює сприятливе середовище для утворення грибків та плісняви, розмноження комах тощо. При нестачі вологи у повітрі пересихають стіни, погіршується самопочуття мешканців, відбувається передчасне розтріскування матеріалів. Для запобігання негативним наслідкам через недотримання мікроклімату в приміщенні проводиться постійний контроль концентрації води в повітрі. Неоціненну допомогу у вирішенні цього завдання надає датчик вологості.

Типи та принцип роботи

Кількість вологи в навколишньому просторі обчислюється як маса води в кубометрі повітря і визначається як відсоток насичення. В основі роботи будь-якого датчика вологості лежить переведення фізичної кількості вологи в електричний сигнал. За способом визначення кількості води датчики вологості можуть використовувати прямий або опосередкований метод виміру. Залежно від принципу дії всі пристрої умовно поділяються на шість типів, які ми і розглянемо докладніше.

Резистивний

Мал. 1. Влаштування резистивного датчика вологості

Являє собою один з найдешевших типів датчиків вологості. В основі його роботи лежить властивість деяких провідних матеріалів вбирати вологу, за рахунок чого змінюється омічний опір елемента.

В якості таких матеріалів застосовуються порошкові пористі структури, найчастіше, оксид алюмінію. Порошок наносять на плату між двома електродами, виконаними у вигляді доріжок, і запікають до плівки.Наявність плівкової поверхні запобігає подальшому розчиненню керамічного порошку та утворенню конденсату в його структурі. Однак при взаємодії з молекулами води, що містяться в повітрі, плівка змінює фізичні властивості.

Так, відносно сухому стані провідність датчика вологості характеризується номінальною величиною. Але, в міру накопичення вологи на поверхні плівки опір такого резистора пропорційно зменшитися, провідність зросте, як і величина струму, що протікає в ланцюгу. За рахунок вимірювання струму або падіння напруги на резистивному елементі здійснюється контроль вологості.

Ємнісний

Мал. 2. Принцип дії ємнісного датчика вологості

Ємнісний датчик вологості функціонує за принципом класичного конденсатора, обкладки якого взаємодіють з повітрям навколишнього простору. Усього виділяють три основні види ємнісних сенсорів, що відрізняються конструктивними особливостями:

  • Перший тип є дві пластини, між якими знаходиться повітряний простір. У сухому стані повітря є діелектриком, тому ємність конденсатора є максимальною. У міру насичення повітря вологою підвищаться його провідні властивості та ємність пропорційно зменшитися.
  • Другий тип - являє собою той же конденсатор, між пластинами якого знаходиться чутливий діелектрик, що активно реагує на вологу. До висновків конденсатора подаються імпульси встановленої частоти, що дозволяє точніше обчислювати ступінь вологості.
  • Третій тип - є пластини на платі, виготовлені у формі гребінки. Такі моделі вимагають додаткової температурної компенсації під час вимірювань.

Термісторний

В основі роботи такого датчика вологості лежить термістор - нелінійний резистор, опір якого безпосередньо залежить від температури навколишнього середовища.Термістор має нелінійну вольтамперну характеристику, при найменшій зміні температури елемента омічний опір також змінюється.

Мал. 3. Термісторний датчик вологості

Принцип дії термісторного датчика вологості ґрунтується на порівнянні показань двох термісторів. Один з них розміщується в герметичній капсулі із сухим повітрям і є базовим параметром. Другий термістор встановлюється перфоровану капсулу, яка взаємодіє з повітряними масами. Обидва термістори розташовуються в плечах вимірювального моста для порівняння показань.

При зволоженні повітряного простору термістор у перфорованій капсулі покривається вологою. Шар рідини починає випаровуватися з поверхні резистора, завдяки чому він швидше остигає, внаслідок чого змінюються характеристики пристрою. Через наявність різниці опору двох термісторів міст вийде зі стану рівноваги.Чим більша вологість, тим сильніше зміниться електрична величина, у міру зміни струму або напруги визначатиметься ступінь вологості.

Оптичний

Мал. 4. Принцип дії оптичного датчика вологості

Оптичний датчик вологості працює за принципом визначення точки роси - стану середовища, при якому пароподібна волога з повітря осідає у вигляді крапель на поверхні. Принцип дії такого пристрою ґрунтується на такій послідовності операцій:

  • З одного боку дзеркало нагрівається або охолоджується для отримання точки роси на поверхні.
  • З іншого боку на нього подається промінь світла, що випромінюється, як правило, окремо встановленим світлодіодом.
  • Світло відбивається від дзеркала і потрапляє на фотодіод або інший світлочутливий елемент, що реагує на інтенсивність світлового потоку.
  • При появі крапель на поверхні дзеркала світло буде переломлюватися, інтенсивність потоку знизиться і величина струму, що пропускається фотодіодом зміниться.

Оптичний датчик вологості вважається найбільш точним, але й найдорожчим. Основною складністю в експлуатації такого пристрою є необхідність утримання поверхні в чистоті, інакше точність вимірювань суттєво знизиться.

Електронний

В основу роботи електронного датчика вологості закладено принцип зміни стану електроліту, залежно від фактора вологості. Такий пристрій оснащується зондом, як правило, із двома рознесеними електродами. Електроди поміщаються в контрольований простір і під час подачі напруги починають проводити електричний струм. У міру зволоження проміжку між електродами провідність збільшиться і зросте сила струму.

Такі моделі відмінно підходять для електронних систем як вимірювальний орган, що аналізує рівень вологості. Вони можуть підключатися до найпростіших мікроконтролерів або реле.

Механічний

Мал. 5. Механічний датчик вологості

На відміну від попередніх типів датчиків здійснюють вимірювання вологості за допомогою механічних переміщень. Найбільш популярними є ваговимірювальні та волосні.

Перший тип включає трубки, наповнені гігроскопічною речовиною, як правило, хлоридом кальцію або перхлоратом магнію. Яке вбирає вологу з довкілля та збільшує свою масу. У міру збільшення ваги механічно переміщається стрілка ваги.

Волосні функціонують за принципом подовження людського волосся у міру впливу на нього вологи. Механічні датчики відрізняються низькою собівартістю, їм не потрібне додаткове джерело живлення, але вони мають відносно велику похибку.

Схеми підключення

Датчик вологості може мати різне призначення, від чого і залежатиме схема його підключення. Як найпростіший приклад розглянемо варіант підключення до витяжки.

Мал. 6. Приклад підключення датчика вологості до витяжки

Як бачите на схемі, фазний провідник L підключається через комутатор сенсора. При насиченні повітря вологою до встановленої межі контакти замкнуться і живлення буде подано до ланцюга живлення вентилятора. Що призведе до примусового провітрювання приміщення.

Мал. 7. Схема підключення датчика вологості до мікроконтролера

Як бачите, на цій схемі представлений принцип роботи датчика вологості через аналоговий сигнал. Тут підключення здійснюється підключення висновків сенсора до клем мікроконтролера Ардуїно:

  • VCC до роз'єму 7 Arduino;
  • GND до роз'єму GND;
  • A0 до однойменного A0.

Також рекомендую ознайомитися з проектом метеостанції на Ардуїно.

Особливості датчиків вологості

У повсякденному житті людині доводиться вирішувати ряд як виробничих, так і побутових завдань. І кожної з них необхідно підбирати відповідний тип датчика вологості. Найбільш суттєвим критерієм для вимірювання є контрольоване середовище.

Для ґрунту.

Мал. 8. Використання датчика вологості для ґрунту

За рахунок встановлення датчика вологості можна забезпечувати автоматичний полив грядок або горщиків з розсадою. Для цього найчастіше використовують електронні датчики, зонд яких встановлюються в ґрунт рослини.

При поливі вміст вологи в землі підвищується, що суттєво збільшує провідність ґрунту. Як тільки вода випарується, ґрунт висохне, і опір між електродами датчика знову збільшиться.

Для повітря.

Для повітря відмінно підходять ємнісні, резистивні, термісторні та оптичні датчики. Усередині яких або навколо чутливих елементів легко забезпечується циркуляція газу з вимірюваною вологою.

Датчики із закритими або герметичними зондами мають меншу реакцію на зміни вологості. Тому підійдуть для того середовища, де концентрація вологи змінюється плавно без різких перепадів.

Сфери застосування

Вода відіграє важливу роль у житті людини, а й у ряді технологічних процесів. Тому сфера застосування датчика вологості досить велика:

  • Виробництво хімічних реагентів та сировини;
  • При транспортуванні паливно-мастильних матеріалів;
  • Відповідно до п.5.7.2 ГОСТ Р 54082-2010 датчики вологості використовуються у випробувальних камерах для визначення концентрації парів води;
  • Для фармацевтичних цілей виробництва та зберігання препаратів;
  • З метою обслуговування холодильних установок;
  • На фабриках з переробки паперової та целюлозної продукції;
  • У сфері виробництва та переробки продуктів харчування;
  • Для контролю мікроклімату в лабораторіях, сховищах, житлових приміщеннях і т.д.;
  • Для сільського господарства та галузей легкої промисловості.

Список використаної літератури

    Берлінер М. А. «Вимірювання вологості» 1973
  1. Віглеб Г. «Датчики» 1989
  2. Фрайден Дж. «Сучасні датчики. Довідник» 2005
  3. РМГ 75-2014 ДСІ

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Електрик