admin / 09.07.2018

Датчик влажности воздуха

Терминология

Следует разобраться, что собой представляют датчики влажности воздуха, поскольку не все пользователи понимают, для каких показателей они используются.

Существует абсолютная и относительная влажность воздуха. Первая означает точное количество воды в воздухе (измеряется в г/куб.м). При этом содержание влаги можно определить и в процентном соотношении. У данного показателя есть предел – 100%. Это наибольшая величина, которую называют также порогом максимального насыщения. Еще одно ее название – влагоемкость. Процесс конденсации стартует как раз с этого предела.

Между влагоемкостью и температурой среды есть взаимосвязь. Чем выше температура, тем большее количество влаги может собираться все в том же объеме воздуха. Поэтому и цифровые, и аналоговые приборы часто оснащаются дополнительно температурным датчиком.

Отношение показателя влагоемкости к абсолютной влажности и представляет собой относительную влажность воздуха. Когда эти величины будут равны друг другу, наступает состояние, называемое «точкой росы».

В этой терминологии нужно разобраться до того, как отправиться покупать прибор, поскольку датчики подбираются с учетом целого ряда критериев.

Виды датчиков и их принцип работы

Датчики влажности бывают разных видов. В продаже можно встретить 4 основных типа подобных приборов:

  1. Емкостной датчик влажности. Представляет собой воздушный конденсатор. Устройства применяются и для промышленного оборудования, и для бытовой техники. С конструктивной точки такой гигрометр состоит из подложки, на которой находится тонкопленочный полимерный элемент. Подложка делается из керамики, стекла или кремния. Преимущества таких приборов состоят в том, что они могут работать при высокой температуре, а в промышленности важна их стойкость к химическим испарениям.
  2. Резистивный датчик. Принцип его работы основан на изменении показателя сопротивления гигроскопичного материала, которое происходит в зависимости от уровня содержания влаги. Детекторы такого типа чаще всего используются в быту.
  3. Психометрический датчик. В данном случае его работа основана на том, что при испарении происходит потеря тепла. В такой конструкции используются 2 детектора: сухой и влажный. Измеряется разница температуры, что позволяет определить уровень содержания влаги в воздухе. Когда-то такие счетчики применялись реже, поскольку нужно было постоянно сверяться с таблицами. Сегодня это цифровые приборы высокой точности, и ими пользоваться совсем несложно.
  4. Аспирационные датчики. Они похожи на психометрические, но их конструкцией предусмотрено наличие вентилятора, который отвечает за принудительное нагнетание газа или воздушной смеси. Такие устройства целесообразно устанавливать там, где движение воздуха характеризуется слабостью и прерывистостью.

Независимо от того, емкостной датчик относительной влажности или психометрический прибор, пользователя интересует их надежность. То есть то, насколько хорошо при сырости работает это устройство, какие факторы могут повлиять на точность измерений и т.д.

Устройство детекторов резистивного типа

Приборы влажности этого типа должны фиксировать изменения электрического сопротивления в гигроскопической среде. Речь идет о таких материалах, как соль, проводящий полимер, другие типы подложки. Чаще всего используется все-таки второй вариант. Чтобы понять принципы определения – как измерять измерения влажности этим прибором, нужно рассмотреть его устройство.

Датчики влажности резистивного типа представляют собой электроды из металлического сплава, которые накладывают на подложку с применением фоторезистора, либо второй вариант – электроды наматывают на пластиковый или стеклянный цилиндр. Подложку покрывают ранее упомянутым проводящим полимером или солевым раствором. Иногда подложка обрабатывается другим химическим соединением, в том числе кислотой.

Когда на чувствительные элементы попадает водяной пар, происходит распад ионных групп, что увеличивает электрическую проводимость. Ее замеры помогают установить уровень влажности.

Сенсор подобного типа работает достаточно быстро. Для большинства моделей такого оборудования время отклика составляет 10-30 секунд. Диапазон сопротивлений может колебаться в пределах от 1 кОм до 100 мОм. Портативные многокомпонентные датчики обладают меньшим количеством функций, чем их более дорогие аналоги. Но для бытовых целей и этого хватает.

Использование электронного цифрового датчика влажности воздуха такого типа позволяет добиться хорошей точности измерений. Калибровка оборудования проводится в специальной компьютерной системе.

Резистивные датчики устойчивы к воздействию окружающей среды. Они могут работать от -40°С до +100°С. Кроме того, такие приборы нормально служат в течение как минимум 5 лет даже на производстве, не говоря уже о бытовом использовании.

Но точка, в которой они установлены, все-таки имеет значение. Если на них постоянно действуют химические пары или масла, срок службы ниже.

Краткий обзор имеющихся на рынке устройств, их применение

Глядя, как конденсат попадает на зеркало в ванной комнате, люди задумываются об установке прибора влажности в помещении. Особенно, когда там работает сразу несколько электрических приборов. К выбору датчика влажности в ванную комнату стоит подойти с ответственностью.

Среди приборов резистивного типа считается неплохим вариантом модель SYH-2RS. Она может работать при температуре до +85°С и отличается неплохими техническими характеристиками. Погрешность датчика составляет всего около 5%. А одним из его преимуществ является компактность.

Толщина корпуса не превышает 2,9 мм, длина – около 10 мм; после установки прибор практически незаметен, то есть не испортит интерьер. Он работает от бытовой сети в 220 В.

Как и многие современные датчики, даже может преодолеть основной недостаток резистивных приборов, который заключается в том, что при наличии конденсата точность их показаний снижается. Тем не менее чаще всего вместо этой модели используют более дешевые китайские аналоги.

Среди товаров, произведенных в Поднебесной, большинство датчиков выпускают неизвестные изготовители. Из китайских наибольшей популярностью пользуются DHT22 и DHT11. Второй вариант стоит дешевле, но первый является более качественным.

Такие приборы ставят одновременно с вентилятором. Поэтому некоторые владельцы квартир на датчиках как раз экономят, предпочитая китайские изделия, хотя у них и температурный диапазон меньше, и срок службы может не дотягивать до 5 лет.

Емкостные датчики влажности

Недорогими и, прежде всего, простыми в обраще­нии являются датчики влажности емкостного типа. Они состоят из специальной пленки с напыленным с двух сторон слоем золота (рис. 9.21). Таким обра­зом, пленка служит диэлектриком плоского конден­сатора. С помощью соответствующей измерительной схемы, более подробно на которой остановимся ниже, это изменение емкости можно преобразовать в по­стоянное напряжение. Общее устройство такого дат­чика показано на рис. 9.22.

Зависимость емкости датчика от влажности воздуха (Frel) приведена на рис. 9.23. Поскольку эта характеристика изогнута (нелинейна), непосредствен­ную индикацию можно осуществить только при откалиброванной соот­ветствующим образом шкале или с помощью дополнительно включенной схемы линеаризации.

На рис. 9.24 показана зависимость между относительной влажностью Frel и емкостью датчика, норми­рованной при Frel = 12%.

Общая емкость датчика равна CS = С0 + ∆С, где С0 — емкость при нулевой влажности, ∆С — изме­нение емкости из-за наличия влаги. Емкость дат­чика CS слабо зависит от измерительной частоты, как видно из рис. 9.25. Поэтому незначительное измене­ние измерительной частоты не оказывает влияния на показания датчика.

Важной характеристикой, определяющей приме­нимость датчика, является его время срабатывания или постоянная времени. При резком изменении влаж­ности датчику требуется около 2 мин для достижения 90% окончательного показания (рис. 9.26), соответ­ствующего вновь установившейся влажности.

Рис. 9.21. Принципиальное устройство диэлектрического датчика влажности.

Рис. 9.22. Конструкция промышленного датчика влажности.

Рис. 9.23 Зависимость емкости датчика СS от относительной влажности.

Рис. 9.24. Зависимость между отно­сительной влажностью воздуха и ем­костью датчика, нормированной при Frel = 12%,

Рис. 9.25. Частотная ха­рактеристика датчика влажности.

Рис. 9.26. Время срабатывания датчика влажности при резке изменяющемся содержании влаги в воздухе.

    1. Измерительные схемы и калибровка датчиков влажности

Изменения емкости можно, естественно, как и из­менения сопротивления, измерять с помощью измери­тельного моста. Соответствующая схема показана на рис. 9.27. Она состоит из моста для измерения емкости с датчиком влажности в качестве активного элемента. Мост питается переменным напряжением с частотой около 100 кГц. С помощью подстроенного конденсатора СА выходное напряжение U0 устанав­ливается на нуль при ∆С = 0. При изменении ем­кости ∆С выходное напряжение U0 служит мерой этого изменения и соответственно изменения влаж­ности.

Рис. 9.27 Измерительная схема датчика влажности с емкостным мостом.

Для простых конструкций датчиков получили рас­пространение также схемы, работающие по разности импульсов. Принципиальное построение такой схемы показано на рис. 9.28. Она состоит из двух мультиви­браторов (M1 и М2), причем M1 синхронизирует М2.

При ∆С = 0 длительность импульсов обоих мультивибраторов одинакова (t1 = t2). Если же емкость датчика изменится (∆С ≠ 0), то между двумя выходами 1 и 2 возникнет «разностный» импульс длительностью t3 = t2 – 1 ~ ∆С. Если период прямоуголь­ного импульса напряжения равен T = 2t1, а ампли­туда импульсов равна UB, то для среднего арифмети­ческого значения выходного напряжения U0 полу­чается уравнение U0 = (t3/T)UB = (∆С/2С0)UB.

При условии, что мультивибраторы М1 и М2 в сущности одинаковы (например, мультивибраторы, выполненные на одном кристалле по технологии КМОП), а емкость датчика имеет такой же температурный коэффициент, как и подстроечный конденсатор СА, отношение t3/T не зави­сит от изменений температуры.

Рис. 9.28. Принципиальное устройство схемы с двумя мульти­вибраторами, работающей по разности импульсов.

Рис 9.29 Формирование разностного импульса схемой, показанной на рис. 9.28.

Разумеется, напряжение питания должно быть стабилизировано, так как оно непосредственно вхо­дит в результат измерений (U0).

На рис. 9.30 изображена простая измерительная схема без стабилизации напряжения и без линеари­зации. Поскольку ток этой схемы чрезвычайно мал (около 100 мкА), три элемента типа «ААА» могут обеспечить питание примерно в течение года.

Улучшенная схема приведена на рис. 9.31. Напря­жение питания стабилизируется транзисторами, а выходное напряжение линеаризовано. Линеари­зация (рис. 9.32) осу­ществляется следующим образом. Выходные им­пульсы заряжают конден­сатор С через D и R1 и од­новременно ток разряда, пропорциональный напря­жению на конденсаторе, протекает через R2. В ре­зультате этого больше не соблюдается про­порциональность между выходным напряжением U0 и средним значением на­пряжения выходного импульса U0(AV). Соответствую­щим подбором С, R1 и R2 можно достигнуть линеари­зации выходного напряжения.

Рис. 9.30. Полная измерительная схема, работающая по разно­сти импульсов: Н — датчик влажности.

Рис. 9.31. Улучшенная схема со стабилизированным питанием и линеаризацией: Н — датчик влажности; NTC— терморезистор с отрицательным ТКС. На измерительном приборе М при токе 45 мкА имеется метка, соответствующая нижнему пределу на­пряжения ≈ 4,1 В.

Рис. 9.32. Схема линеаризации выходного сигнала датчика.

Для однозначного отождествления измеренного напряжения с определенной влажностью необходимо создание в воздухе заранее известной влажности (табл. 9.4).

Таблица 9.4

Относительная влажность (%) воздуха над насыщенными растворами некоторых солей при различных температурах

Соль

Температура, °С

Сульфат калия K2SO4

Нитрат калия KNО3

Хлорид калия КCl

Сульфат аммония (NH4)2SО4

Хлорид натрия NaCl

Нитрит натрия NaNO2

Нитрат аммония NH4NO3

Бихромат натрия Ма2Сr2О7

5)

Нитрат магния Mg(NO3)2

Карбонат калия К2СО3

Хлорид магния MgCl2

Ацетат калия СН3СООК

Хлорид лития LiCI

Насыщенные растворы отдельных солей вызы­вают уменьшение влажности в замкнутом воздушном пространстве над ними. Этот эффект можно исполь­зовать для калибровки датчиков влажности. Для этого калибруемый датчик монтируют в герметичном сосуде (например, в стеклянной банке для консерви­рования), как показано на рис. 9.33, и соединяют с электронной схемой. Затем в сосуд помещают пропи­танный насыщенным раствором ватный тампон и сразу же закрывают крышкой. Спустя примерно 30 мин в резервуаре устанавливается соответствую­щая относительная влажность, указанная в табл. 9.4. Например, в случае применения LiCl при комнатной температуре (20°С) получается относительная влаж ность 12%. Используя различные солевые растворы (при их смене сосуд обязательно очищают), можно промерить всю характеристику датчика для относи­тельной влажности от 12 до 98%, а в случае необходимости также и линеаризировать ее.

Рис. 9.33. Устройство для калибровки датчиков влажности.

=======================================================================================

ВОПРОСЫ:

    1. Термокондуктометрические ячейки

    2. Топливная и термохимическая (каталитическая) ячейки

    3. Анализатор выхлопных газов

    4. Полупроводниковые газовые датчики

    5. Датчики природного газа и алкоголя

    6. Конденсационный гигрометр на основе хлорида лития

    7. Емкостные датчики влажности

    8. Измерительные схемы и калибровка датчиков влажности

ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ. ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Емкостной тип

Самый простой вариант такого измерительного прибора представляет собой воздушный конденсатор. При изменении количества паров воды в газе происходит изменение свойств самого газа, в том числе и диэлектрической проницаемости. Измерение последней с последующей обработкой данных дает представление о насыщенности воздуха парами воды.

Более сложная модификация отличается тем, что вместо воздуха между обкладками конденсатора помещается особый диэлектрик, чувствительный к количеству влаги в воздухе. Такой датчик способен измерять увлажненность не только газов, но и твердых предметов небольшого размера.

Более совершенный и точный вариант емкостного датчика состоит из двух гребенчатых электродов, помещенных на подложку. Они заменяют обкладки конденсатора,

Из достоинств емкостных датчиков можно отметить такие:

  • простота устройства;
  • низкая стоимость;
  • надежность работы.

Но есть и недостатки:

  • малая точность при измерении, когда значение приближается к нижнему порогу;
  • зависимость показаний от чистоты среды (мелкие пылеобразные частицы в газе оказывают существенное влияние на диэлектрическую проницаемость);
  • необходимость в электропитании датчика.

FILED UNDER : Справочник

Страницы