Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое датчик влажности, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое датчик влажности , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .
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.
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).
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.
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.
Третий тип емкостного датчика влажности - это емкостный тонкопленочный гигрометр. Он включает в себя подложку, на которую нанесены два гребенчатых электрода. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Гребенчатые электроды играют в данном случае роль обкладок. С целью термокомпенсации в датчик дополнительно вводят еще и два термодатчика.
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.
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.
У нас есть две версии серии датчиков DHTxx. Они выглядят немного похоже и имеют одинаковую распиновку, но имеют разные характеристики. Вот подробности.
DHT22 является более дорогой версией, которая, очевидно, имеет лучшие характеристики. Диапазон измерения температуры составляет от -40°C до +80°C с точностью ±0,5 градуса, а диапазон температур DHT11 составляет от 0°C до 50°C с точностью ±2 градуса. Также датчик DHT22 имеет более широкий диапазон измерения влажности, от 0 до 100% с точностью 2-5%, в то время как диапазон измерения влажности DHT11 составляет от 20 до 80% с точностью 5%.
 |
 |
|
| DHT11 | DHT22 | |
|---|---|---|
| Рабочее напряжение | от 3 до 5 В | от 3 до 5 В |
| Максимальный рабочий ток | 2,5 мА макс | 2,5 мА макс |
| Диапазон измерения влажности | 20-80% / 5% | 0-100% / 2-5% |
| Диапазон измерения температуры | 0-50°C / ± 2°C | от -40 до 80°C / ± 0,5°C |
| Частота выборки | 1 Гц (чтение каждую секунду) | 0,5 Гц (чтение каждые 2 секунды) |
| Размер корпуса | 15,5 мм х 12 мм х 5,5 мм | 15,1 мм х 25 мм х 7,7 мм |
| Преимущество | Ультра низкая стоимость | Более точный |
Хотя DHT22/AM2302 более точен и работает в большем диапазоне температур и влажности; есть три вещи, в которых DHT11 сильно превосходит DHT22. Он более дешевый, меньше по размеру и имеет более высокую частоту выборки. Частота выборки DHT11 составляет 1 Гц, то есть одно чтение каждую секунду, в то время как частота выборки DHT22 составляет 0,5 Гц, то есть одно чтение каждые две секунды.
Рабочее напряжение обоих датчиков составляет от 3 до 5 вольт, в то время как максимальный ток, используемый во время преобразования (при запросе данных), составляет 2,5 мА. И самое приятное, что датчики DHT11 и DHT22/AM2302 являются «взаимозаменяемыми», то есть, если вы создаете свой проект с одним датчиком, вы можете просто отключить его и использовать другой датчик. Ваш код, возможно, придется немного изменить, но, по крайней мере, схема не изменится!
Теперь давайте перейдем к более интересным вещам. Давайте разберем оба датчика DHT11 и DHT22/AM2302 и посмотрим, что внутри.
Корпус состоит из двух частей, поэтому для его вскрытия достаточно просто достать острый нож и разделить корпус на части. Внутри корпуса на стороне датчиков находятся датчик влажности и датчик температуры NTC (термистор).
Рисунок 2 – Внутренности датчиков температуры и влажности DHT11 DHT22/AM2302
Чувствительный к влажности компонент, который используется, разумеется, для измерения влажности, имеет два электрода с влагоудерживающей подложкой (обычно соль или проводящий пластиковый полимер), зажатой между ними. По мере поглощения водяного пара подложка высвобождает ионы, что, в свою очередь, увеличивает проводимость между электродами. Изменение сопротивления между двумя электродами пропорционально относительной влажности. Более высокая относительная влажность уменьшает сопротивление между электродами, в то время как более низкая относительная влажность увеличивает это сопротивление.
Рисунок 3 – Внутренняя структура датчика влажности в DHT11 и DHT22
Кроме того, в этих датчиках для измерения температуры имеется датчик температуры NTC (термистор). Термистор – это терморезистор – резистор, который меняет свое сопротивление в зависимости от температуры. Технически все резисторы являются термисторами – их сопротивление слегка изменяется в зависимости от температуры, но обычно это изменение очень мало и его трудно измерить.
Термисторы сделаны так, чтобы их сопротивление резко изменялось при изменении температуры, и изменение на один градус может составлять 100 Ом или более! Термин «NTC» означает «Negative Temperature Coefficient» (отрицательный температурный коэффициент), что означает, что с ростом температуры сопротивление уменьшается.
Рисунок 4 – График зависимости сопротивления NTC термистора от температуры
С другой стороны имеется небольшая печатная плата с 8-разрядной микросхемой в корпусе SOIC-14. Эта микросхема измеряет и обрабатывает аналоговый сигнал с сохраненными калибровочными коэффициентами, выполняет аналого-цифровое преобразование и выдает цифровой сигнал с данными о температуре и влажности.
Датчики DHT11 и DHT22/AM2302 довольно легко подключаются. У них есть четыре вывода:
Рисунок 5 – Распиновка датчиков температуры и влажности DHT11 и DHT22/AM2302
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.
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.
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.
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.
Исследование, описанное в статье про датчик влажности, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое датчик влажности и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Комментарии
Оставить комментарий
Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Термины: Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы