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

Устройство резистивного датчика влажности
Рис. 1. Устройство резистивного датчика влажности

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

Принцип действия емкостного датчика влажности
Рис. 2. Принцип действия емкостного датчика влажности

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:

  • Первый тип представляет собой две пластины, между которыми находится воздушное пространство. В сухом состоянии воздух является диэлектриком, поэтому емкость конденсатора максимальная. По мере насыщения воздуха влагой повысятся его проводящие свойства и емкость пропорционально уменьшиться.  
  • Второй тип – представляет собой тот же конденсатор, между пластинами которого находится чувствительный диэлектрик, активно реагирующий на влагу. К выводам конденсатора подаются импульсы установленной частоты, что позволяет точнее вычислять степень влажности.
  • Третий тип – представляет собой пластины на плате, изготовленные в форме гребенки. Такие модели требуют дополнительной температурной компенсации в ходе измерений.

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.

Термисторный датчик влажности
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

Принцип действия оптического датчика влажности
Рис. 4. Принцип действия оптического датчика влажности

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:

  • С одной стороны зеркало нагревается или охлаждается для получения точки росы на его поверхности.
  • С другой стороны на него подается луч света, излучаемый, как правило, отдельно установленным светодиодом.
  • Свет отражается от зеркала и попадает на фотодиод или другой светочувствительный элемент, реагирующий на интенсивность светового потока.
  • При появлении капель на поверхности зеркала свет будет преломляться, интенсивность потока снизится и величина тока, пропускаемом фотодиодом изменится.

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

Механический датчик влажности
Рис. 5. Механический датчик влажности

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.

Пример подключения датчика влажности 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.

Схема подключения датчика влажности к микроконтроллеру
Рис. 7. Схема подключения датчика влажности к микроконтроллеру

Как видите, на данной схеме представлен принцип работы датчика влажности через аналоговый сигнал. Здесь подключение производится подключение выводов сенсора к клеммам микроконтроллера Ардуино:

  • VCC к разъему 7 Arduino;
  • GND к разъему GND;
  • A0 к одноименному A0.

Также рекомендую ознакомиться с проектом метеостанции на 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.

Использование датчика влажности 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:

  • Производство химических реагентов и сырья;
  • При транспортировке горюче-смазочных материалов;
  • В соответствии с п.5.7.2 ГОСТ Р 54082-2010 датчики влажности используются в испытательных камерах для определения концентрации паров воды;
  • Для фармацевтических целей производства и хранения препаратов;
  • В целях обслуживания холодильных установок;
  • На фабриках по переработке бумажной и целлюлозной продукции;
  • В сфере производства и переработки продуктов питания;
  • Для контроля микроклимата в лабораториях, хранилищах, жилых помещениях и т.д.;
  • Для сельского хозяйства и отраслей легкой промышленности.

Список использованной литературы

  1. Берлинер М. А. «Измерения влажности»  1973
  2. Виглеб Г.  «Датчики» 1989
  3. Фрайден Дж. «Современные датчики. Справочник» 2005
  4. РМГ 75-2014 ГСИ

Leave a Comment

Your email address will not be published.