Виды датчиков влажности, их принцип работы, устройство и применение

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.

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.

Прежде чем перейти к теории, определимся с терминологией.

Содержание

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:

1. 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.
   

   

2. 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).

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

1. 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.
   

2. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Большая влажность в ванной комнате является основной причиной появления в помещении плесени и грибка. Чтобы этого не происходило, вместо вентиляционного окна решетки устанавливают вентилятор.

И оптимальным вариантом такого изделия для воздухообмена влаги в ванной является вентилятор со встроенным датчиком влажности для вентиляции. Еще такой прибор называют гигрометр. Датчик влажности воздуха для управления вентиляцией совместно с таймером создают работу изделия автоматизированной. Помимо этого, есть ряд специализированных устройств, которые производят контроль за влажностью воздуха: это различные канальные преобразователи, гигростаты, те-же гигрометры и многое другое. Все разнообразие приборов можно увидеть в любом интернет-магазине, например на вентиляция.ком

Разновидности и особенности гигрометра

Гигростат приборы различаются между собой однолинейными и двух линейными схемами. Всякий контур содержит в себе реле, управляющее изделием. А гигрометр, имеющий два контура, разумеется, управляет несколькими устройствами.

В результате регулируется циркуляция воздуха в комнате. Перед тем как установить вентилятор с датчиком влажности, нужно сознавать, что эти изделия должны соответствовать некоторым условиям.

Основное для вытяжки – точность срабатывания гигрометра. А также изделие должно быть нейтральным к конденсату. Гигростаты подразделяют на емкостные, резистивные, теплопроводящие (термостатные) гигрометры.

Датчики емкостные

Резистивные приборы

Такие гигрометры основаны на изменении влажности в среде гигроскопа. Здесь элементом выступают подложки и полимеры.

В классическом варианте резистивный гигрометр температуры и конденсата  состоит из подложки, с разложенными двумя электродами при использовании фоторезистора.

Затем ее накрывают токопроводящим полимерным элементом. Время включения вентиляции составляет от 15 до 35 секунд, что допустимо для ванной комнаты.

Теплопроводящие гигрометры

Такая разновидность изделий отличается по принципу действия от упомянутых гигрометров. Принцип работы у таких изделий заключается в мостовой схеме подключенных между собой термисторов.

Напряжение в конце схемы пропорционально содержанию влаги. А из-за того, что один резистор изолирован, а другой открытый, ток в них проходит за разное время.

Теплоотдача закрытого термистора больше, чем открытого, а это достигается за счет использования изолятора из сухого азота. Поскольку у термисторов разная температура, соответственно, у них соответствующее сопротивление. Разница этого показателя и характеризует сырость воздуха в помещении.

Дополнительная функциональность вентиляторов

• Включение гигрометра при движении. При таком режиме включается вентиляция в то время, когда человек совершает свои гигиенические процедуры в ванной;
• Функция проветривания. Гигростат включается параллельно с включением света в ванной комнате, и вентиляция работает постоянно в малом режиме;
• Таймер для ванной комнаты. Для понижения сырости допускается вентиляция после приема ванной в течение нескольких минут;
• Обратный клапан. Клапан нужен для защиты изделия от посторонних частиц, пыли и неприятного запаха из вентиляционного канала;
• Дополнительное освещение прибора;
• Регулировка мощности;
• Наличие часов на панели изделия.

Но конечно, основным встроенным элементом для этого прибора является гигрометр влажности. Конструктивно он часто выпускается производителями совместно с вентилятором, но может быть, и автономным.

Преимущества

Достоинства такого датчика очевидны:

• Влажный воздух не застаивается в помещении, а сразу же выводится наружу;
• Экономия электроэнергии. Гигрометр срабатывает только при достижении предельного содержания влажности;

Минус гигрометра – его шум во время работы вентилятора.

Особенности датчика влажности

Гигростат работает аналогично термостату, но главная цель при этом – включать и отключать вентиляцию в зависимости от количества влаги. Другими словами, изделие включается лишь при достижении в помещении влажности выше 40%.

Датчик представляет собой чувствительный элемент, реагирующий при предельной влаге в воздухе. Он действует на реле, которое замыкает электрическую цепь электродвигателя и вентиляция включается.

Прибор MP590 встроен в корпус устройства вместе с модулем управления. Чтобы вентилятор с датчиком влажности в ванной работал корректно, нужно его правильно настроить.

Сначала переводят управление реле в режим триггер. Затем путем корректировки по показаниям влаги на управленческом модуле создают настройку схемы вентиляции.

Чтобы убедиться в правильной работе прибора, включают горячий душ и дожидаются повышения влажности, например, до 40%. После этого закрывают кран с горячей водой в душе. Через какое-то время, после принудительной вентиляции воздуха, при понижении влаги, прибор отключается.

Установка прибора с датчиком влажности

Перед монтажом прибора вместо решетки на вентиляционной системе, надо проверить тягу в канале вентиляции. Для этого нужно зажечь спичку и поднести ее к колодцу, если пламя интенсивно отклонится в сторону отверстия, то, значит, естественная вентиляция работает нормально.

При работе изделия для воздухообмена нужен постоянный приток свежего воздуха: для этого подойдет небольшая щель в двери 2-3 см, которая и обеспечит вентиляцию.

При выборе изделия по мощности нужно знать объем помещения и условное количество замены воздушной массы в ванной за единицу времени. Для ванной комнаты этот показатель составляет 3-8 раз.

Умножая, объем на этот параметр, мы получим характеристики мощности прибора. Если в подсчетах боитесь ошибиться, то нужно просто выбрать максимальную по мощности модель – и такой вентилятор гарантированно не создаст проблем с необходимой циркуляцией воздуха.

Нередко возникает необходимость приобретать датчик по измерению сырости отдельно, и потом подключить его к вентилятору. Такие гигрометры принято монтировать в помещении ванной на потолке либо возле канала и в таком случае они снабжены щупом для измерения сырости в шахте воздуховода.

В ванной комнате желательно устанавливать низковольтный вентилятор, так как влажный воздух является хорошим электропроводником. Иногда лучше объединить свет и датчик влаги в воздухе под одним выключателем, так будет обеспечено регулярная вентиляция по мере избыточной сырости в ванной комнате.

Достаточно придерживаться этих простых правил, чтобы была обеспечена надежная и долгосрочная работа вентилятора. А если применить в работе приборы с дополнительными функциями, в том числе вентилятор вытяжной с датчиком влажности, то это устройство будет не только полезное, но и очень необходимым прибором для ванной комнаты.

Согласитесь, покупка такого прибора – это редкое приобретение в жизни и лучше заиметь достойное изделие, чем затем сожалеть о покупке.

Ванная комната является помещением, постоянно подвергающимся воздействию повышенной влажности и перепадам температуры — как результат, в нем с легкостью может поселиться плесень и грибок. Основной способ борьбы — вентиляция помещения. Вентиляция может быть как естественной, так и принудительной. Если естественная вентиляция монтируется еще на стадии строительства здания, то принудительная система вентиляции может быть реализована в любой момент времени. Сегодня речь пойдет о том, как путем нехитрых манипуляций сделать автоматизированное включение вентиляции в ванной комнате, чтобы она не превращалась в парную баню и продолжала радовать нас чистотой и свежестью. По сути, вытяжка в ванной комнате это элементарная вентиляционная система принудительного принципа действия. Она состоит максимум из двух частей – воздуховода, который соединяется с вентиляционным стояком дома, а также непосредственно самого вентилятора. Обычно принудительное включение вентиляции в ванной реализуют двумя самыми простыми способами: 1. Включается вместе со светом в ванной одним общим выключателем. Но вытяжка обычно нужна только во время принятия душа, когда влажность в ванной повышена. Значит, остальное время электроэнергия расходуется впустую. Чтобы проветрить ванную после душа также приходится оставлять свет включенным. Опять лишний расход электроэнергии 2. Вручную включать вентилятор вытяжки во время или после принятия душа. Нужен отдельный выключатель. Неудобно. Можно забыть выключить вентилятор, если оставить его включенным для проветривания ванной после принятия душа. В общем, такой подход к делу не очень правильный, поскольку в этом случае вентиляция помещения производится только тогда, когда в помещении находится человек. Можно ли автоматизировать управление вентиляцией в ванной комнате и сэкономить электроэнергию? Можно. Автоматическая вытяжка от обыкновенной отличается только наличием электроники, контролирующей ее работу. Такие устройства либо оснащены таймером выключения (включаются они, как и обыкновенная вытяжка, с помощью клавиши выключателя), либо специальными датчиками, контролирующими влажность в ванной комнате. Как только она превышает допустимое значение, вентилятор включается, после того как влажность приходит в норму, он отключается. Такие вытяжки есть готовые, но можно доработать и уже установленную. В качестве примера мы приводим решение на основе модулей от Мастер Кит. Для решения данной задачи были выбраны следующие модули:MP590 – цифровой датчик влажности;MP8037ADC — цифровой модуль защиты и управления с функцией измерения;BOX-BM8037 – корпус для любительских конструкций с установочными размерами в формате *.PCBPW1245 – импульсный источник питания 12В 0.5А. Необходимое оборудование можно увидеть на фото ниже: Цифровой датчик температуры и влажности DHT11 интерфейс 1WIRE представляет собой модуль, построенный на цифровом датчике влажности DHT11 работающий по интерфейсу 1Wire. Модуль Цифровой модуль защиты и управления с функцией измерения представляет собой универсальную плату с одним каналом АЦП имеющую три режима работы реле ГИСТЕРЕЗИС, ТРИГГЕР, ЗАЩИТА. Модуль очень универсален и может пригодиться практически для любой автоматизации. Корпус для любительских конструкций с установочными размерами в формате *.PCB представляет собой универсальный корпус, внутрь которого можно разместить модули MP8037R и MP8037ADC. Так же на сайте скачать файл PCB с установочными размерами LED дисплея и кнопками, для размещения собственных разработок в данном устройстве. AC/DC Импульсный источник питания 12В 0.5А представляет собой встраиваемый источник питания напряжением 12В, с рабочим током 500 мА. Модуль оснащен всеми видами защит, что говорит о его надежности. Думаю, эта информация может пригодиться многим, при подборе устройств под свою задачу. Схема подключения получилась несложной. Ее можно увидеть на эскизе ниже: Так выглядит модуль в корпусе: Датчик влажности MP590 размещается с левой стороны, вплотную с корпусом модуля управления. Что бы все выглядело эстетично, выводы модуля можно расположить непосредственно у декоративной крышки вентилятора. Провода питания и управления необходимо припаять непосредственно на клеммы модуля. Благодаря этому, при близком расположении, невидно проводов управления вентилятора и проводов питания MP8037ADC. Примерный вариант установки модуля с датчиком: После установки необходимо будет произвести настройку. Для начала, согласно инструкции, переведите управление реле в режим триггер. После чего произведите настройку включения и отключения вентилятора вытяжки. Допустим, модуль показал влажность в районе 40%. Удерживая правую кнопку модуля, более пяти секунд, зайдите в меню включения, и установил значение 100. Подождав три секунды, модуль выйдет из меню. Затем удерживая левую кнопку модуля, более пяти секунд, зайдите в меню отключения и установите значение 50. Подождите, через пять секунды модуль вернется в режим работы. Как проверить работу всей системы: с помощью горячего душа поднимите влажность в ванной, контролируя показания на дисплее, при 41% должен включиться вентилятор вытяжки. Отключите душ. Через несколько минут, когда влажность понизиться, вентилятор отключится. Демонстрация работы схемы в режиме контроля влажности: Теперь ванной комнате нестрашен грибок, плесень и не будет перерасхода электроэнергии. Возможно, кто-то захочет реализовать данное решение. А может быть, предложит свое? Автор Рублев Владимир (UA4LOU).Используемые источники:

• https://www.asutpp.ru/vidy-datchikov-vlazhnosti-ih-princip-raboty-ustrojstvo-i-primenenie.html
• https://aeroclima.ru/ventilyaciya/datchik-vlazhnosti/
• https://habr.com/post/385281/