Czujniki wilgotności - sposób ich rozmieszczenia i działania

Urządzenie mierzące poziom wilgotności nazywa się higrometrem lub po prostu czujnikiem wilgotności. W życiu codziennym wilgotność jest ważnym parametrem i często nie tylko dla zwykłego życia, ale także dla różnych urządzeń i dla rolnictwa (wilgotność gleby) i wiele więcej.

W szczególności nasz stan zdrowia zależy w dużej mierze od stopnia wilgotności. Szczególnie wrażliwe na wilgoć są osoby zależne od pogody, a także osoby cierpiące na nadciśnienie, astmę oskrzelową, choroby układu sercowo-naczyniowego.

Przy wysokiej suchości powietrza nawet zdrowi ludzie odczuwają dyskomfort, senność, swędzenie i podrażnienie skóry. Często suche powietrze może wywoływać choroby układu oddechowego, zaczynając od ostrych infekcji dróg oddechowych i ostrych infekcji wirusowych dróg oddechowych, a kończąc nawet na zapaleniu płuc.

W przedsiębiorstwach wilgotność powietrza może wpływać na bezpieczeństwo produktów i urządzeń, aw rolnictwie wpływ wilgoci gleby na żyzność itp. Jest jednoznaczny. czujniki wilgotności - higrometry.

Niektóre urządzenia techniczne są początkowo skalibrowane do ściśle wymaganego znaczenia, a czasami w celu dokładnego dostrojenia urządzenia ważne jest, aby mieć dokładną wartość wilgotności w środowisku.

Wilgotność można zmierzyć za pomocą kilku możliwych wartości:

• Aby określić wilgotność powietrza i innych gazów, pomiary są przeprowadzane w gramach na metr sześcienny, jeśli chodzi o bezwzględną wartość wilgotności, lub w jednostkach wilgotności względnej, jeśli chodzi o wilgotność względną.

• Do pomiaru zawartości wilgoci w ciałach stałych lub w cieczach odpowiednie są pomiary jako procent masy próbek testowych.

• Aby określić zawartość wilgoci w źle wymieszanych cieczach, jednostką miary będzie ppm (ile części wody na 1 000 000 części masy próbki).

Zgodnie z zasadą działania higrometry dzielą się na:

• pojemnościowy;

• rezystancyjny;

• termistor;

• optyczny;

• elektroniczny.

1) Pojemnościowy czujnik wilgotności

Higrometry pojemnościowe w najprostszym przypadku to kondensatory z powietrzem jako dielektrykiem w szczelinie. Wiadomo, że w powietrzu stała dielektryczna jest bezpośrednio związana z wilgotnością, a zmiany wilgotności dielektrycznej również prowadzą do zmian pojemności kondensatora powietrza.

Bardziej złożona wersja pojemnościowego czujnika wilgotności w szczelinie powietrznej zawiera dielektryk ze stałą dielektryczną, która może się znacznie różnić pod wpływem wilgoci. Takie podejście sprawia, że ​​jakość czujnika jest lepsza niż tylko w przypadku powietrza między płytkami kondensatora.

Druga opcja jest odpowiednia do pomiarów dotyczących zawartości wody w ciałach stałych. Badany obiekt jest umieszczony między płytkami takiego kondensatora, na przykład przedmiotem może być tablet, a sam kondensator jest podłączony do obwodu oscylacyjnego i generatora elektronicznego, podczas gdy mierzona jest częstotliwość naturalna uzyskanego obwodu, a pojemność uzyskana przez wprowadzenie próbki testowej jest „obliczana” na podstawie zmierzonej częstotliwości.

Oczywiście ta metoda ma również pewne wady, na przykład jeśli wilgotność próbki jest poniżej 0,5%, będzie niedokładna, ponadto zmierzona próbka musi być oczyszczona z cząstek o wysokiej stałej dielektrycznej, ponadto kształt próbki jest ważny w procesie pomiaru, nie powinien zmienić podczas badania.

Trzeci rodzaj pojemnościowego czujnika wilgotności to pojemnościowy higrometr cienkowarstwowy. Zawiera podłoże, na które nakładane są dwie elektrody grzebieniowe. W tym przypadku elektrody grzebieniowe pełnią rolę płytek.W celu kompensacji termicznej dodatkowo do czujnika wprowadza się dwa dodatkowe czujniki temperatury.

2) Rezystywny czujnik wilgotności

Taki czujnik zawiera dwie elektrody osadzone na podłożu, a na samych elektrodach nakładana jest warstwa materiału, która różni się dość niskim oporem, jednak różni się znacznie w zależności od wilgotności.

Odpowiednim materiałem w urządzeniu może być tlenek glinu. Tlenek ten dobrze absorbuje wodę ze środowiska zewnętrznego, a jego specyficzna rezystancja różni się znacznie. W rezultacie całkowita rezystancja obwodu pomiarowego takiego czujnika będzie znacznie zależała od wilgotności. Tak więc wartość przepływającego prądu wskaże poziom wilgotności. Zaletą tego typu czujników jest ich niska cena.

3) Czujnik wilgotności termistora

Higrometr termistorowy składa się z pary identycznych termistorów. Przy okazji, pamiętajcie o tym termistor - Jest to nieliniowy komponent elektroniczny, którego rezystancja jest wysoce zależna od jego temperatury.

Jeden z termistorów zawartych w obwodzie jest umieszczony w szczelnej komorze z suchym powietrzem. A drugi - w komorze z otworami, przez które wchodzi powietrze o charakterystycznej wilgotności, której wartość należy zmierzyć. Termistory są połączone w obwodzie mostka, napięcie jest przyłożone do jednej z przekątnych mostu, a odczyty są odczytywane z drugiej przekątnej.

W przypadku, gdy napięcie na zaciskach wyjściowych wynosi zero, temperatury obu komponentów są równe, dlatego wilgotność jest taka sama. W przypadku, gdy wyjście otrzyma napięcie niezerowe, oznacza to obecność różnicy wilgotności w komorach. Wilgotność zależy więc od wartości napięcia uzyskanego podczas pomiarów.

Niedoświadczony badacz może zadać uczciwe pytanie, dlaczego zmienia się temperatura termistora, gdy wchodzi on w interakcje z wilgotnym powietrzem? Chodzi o to, że wraz ze wzrostem wilgotności woda zaczyna odparowywać z obudowy termistora, podczas gdy temperatura obudowy spada, a im wyższa wilgotność, tym intensywniejsze parowanie i tym szybciej termistor się ochładza.

4) Optyczny czujnik wilgotności (kondensacji)

Ten typ czujnika jest najdokładniejszy. Podstawą optycznego czujnika wilgotności jest zjawisko związane z koncepcją „punktu rosy”. Kiedy temperatura osiąga punkt rosy, fazy gazowa i ciekła są w stanie równowagi termodynamicznej.

Tak więc, jeśli weźmiesz szklankę i zainstalujesz ją w ośrodku gazowym, w którym temperatura w czasie badania jest powyżej punktu rosy, a następnie rozpocznie się proces chłodzenia tego szkła, to przy określonej wartości temperatury zacznie tworzyć się kondensacja wody na powierzchni szkła, ta para wodna zacznie przechodzić w fazę ciekłą . Ta temperatura będzie tylko punktem rosy.

Temperatura punktu rosy jest więc nierozerwalnie związana i zależy od parametrów, takich jak wilgotność i ciśnienie w otoczeniu. Dzięki temu, mając możliwość pomiaru ciśnienia i temperatury punktu rosy, łatwo będzie określić wilgotność. Zasada ta służy jako podstawa działania optycznych czujników wilgotności.

Najprostszy obwód takiego czujnika składa się z diody LED, która świeci na powierzchni lustra. Lustro odbija światło, zmieniając jego kierunek i kierując je na fotodetektor. W takim przypadku lustro można ogrzać lub schłodzić za pomocą specjalnego precyzyjnego urządzenia do kontroli temperatury. Często takim urządzeniem jest pompa termoelektryczna. Oczywiście czujnik temperatury jest zamontowany na lustrze.

Przed rozpoczęciem pomiarów temperaturę lustra ustawia się na wartość, która jest oczywiście wyższa niż temperatura punktu rosy. Następnie wykonaj stopniowe chłodzenie lustra.W momencie, gdy temperatura zacznie przekraczać punkt rosy, krople wody natychmiast skondensują się na powierzchni lustra, a wiązka światła z diody pęknie z ich powodu, rozproszy się, a to doprowadzi do zmniejszenia prądu w obwodzie fotodetektora. Poprzez sprzężenie zwrotne fotodetektor oddziałuje z regulatorem temperatury lustra.

Tak więc, na podstawie informacji otrzymanych w postaci sygnałów z fotodetektora, regulator temperatury utrzyma temperaturę na powierzchni lustra dokładnie równą punktowi rosy, a czujnik temperatury odpowiednio wyświetli temperaturę. Dzięki znanemu ciśnieniu i temperaturze możesz dokładnie określić podstawowe wskaźniki wilgotności.

Optyczny czujnik wilgotności ma najwyższą dokładność nieosiągalną dla innych typów czujników, a także brak histerezy. Wadą jest najwyższa cena ze wszystkich plus duże zużycie energii elektrycznej. Ponadto należy zadbać o to, aby lustro było czyste.

5) Elektroniczny higrometr

Zasada działania elektronicznego czujnika wilgotności powietrza opiera się na zmianie stężenia elektrolitu pokrywającego dowolny materiał izolacji elektrycznej. Istnieją takie urządzenia z automatycznym ogrzewaniem w odniesieniu do punktu rosy.

Często punkt rosy mierzy się w stężonym roztworze chlorku litu, który jest bardzo wrażliwy na minimalne zmiany wilgotności. Dla maksymalnej wygody taki higrometr jest często dodatkowo wyposażony w termometr. To urządzenie ma wysoką dokładność i niski błąd. Jest w stanie mierzyć wilgotność niezależnie od temperatury otoczenia.

Popularne są również higrometry elektroniczne w postaci dwóch elektrod, które po prostu przyczepiają się do gleby, kontrolując jej wilgotność zgodnie ze stopniem przewodnictwa, w zależności od tej wilgotności. Te czujniki są popularne wśród fanów. Arduino, ponieważ łatwo jest ustawić automatyczne podlewanie łóżka ogrodowego lub kwiatu w doniczce, na wypadek, gdyby nie było wygodne lub wygodne ręczne podlewanie.

Przed zakupem czujnika zastanów się, co musisz zmierzyć, wilgotność względną lub bezwzględną, powietrze lub glebę, jaki jest oczekiwany zakres pomiaru, czy ważna jest histereza i jaka dokładność jest potrzebna. Najdokładniejszy czujnik jest optyczny. Zwróć uwagę na klasę ochrony IP, zakres temperatur pracy, w zależności od konkretnych warunków, w których czujnik będzie używany, czy parametry są odpowiednie dla Ciebie.