Самодельный, стабильный датчик влажности почвы для автоматической поливальной установки. Сигнализатор повышенной влажности воздуха Несколько важных моментов

16.04.2014

Определение количественных показателей влажности газовых сред, жидкостей, твердых и сыпучих тел – востребованная задача практически для всех сфер промышленности, хозяйственной и научной деятельности, различного типа производств. Все методы определения влажностных показателей делятся на прямые и косвенные. Прямой способ подразумевает непосредственное отделение сухого вещества в исследуемом материале от влаги. Принцип косвенных методов заключается в измерении физических величин, имеющих функциональную связь с влажностью вещества или материала.

Необходимость беспрерывно производить замеры, контролировать и регулировать содержание влаги в различных веществах способствовало разработке и развитию компактных сенсорных приборов – датчиков влаги. Они значительно облегчили процесс круглосуточного детектирования концентрации молекул воды в анализируемом материале. Современные сенсорные датчики должны отвечать целому ряду требований: помимо высокой точности, чувствительности и быстроты операций, данные устройства должны иметь широкий измерительный диапазон, охват нескольких порядков анализируемой величины, стабильность показаний.

Области применения датчиков

Измерение показателей влажности необходимо в таких сферах деятельности, как:

химическое производство;
транспортировка топлива;
фармацевтика;
полимеризация;
животноводство;
хранение продукции;
обслуживание холодильных и морозильных камер;
лесоперерабатывающая промышленность;
работа пищевых цехов;
сельскохозяйственная отрасль и т. д.

Виды влажностных датчиков

Датчики для замеров влажности классифицируются по различным критериям, например по:

агрегатному состоянию и структурным особенностям материала, который подлежит анализу;
условиям и режиму эксплуатации – существуют датчики для беспрерывных и дискретных контрольно-измерительных мероприятий;
способу осуществления замеров – датчики имеют проточный и погружной тип;
методу определения влажностных показателей.

Последний критерий поспособствовал выделению двух больших групп, пользующихся высоким спросом: сорбционные и сорбционно-импедансные датчики.

Сорбционные датчики влажности

Для определения и контроля незначительных концентраций влаги применяются датчики сорбционного типа, принцип измерения в которых основывается на пъезосорбционных и сорбционно-импендасных способах мониторинга.

Главный функциональный элемент таких датчиков – сорбционный слой, который при контакте со средой исследования способен поглощать пары воды. Часто в роли такого слоя выступает полимерная пленка или материал на основе высокопористых неорганических оксидов.

Чем выше размерные характеристики внутренних полостей материала, тем большей эффективностью обладает датчик на его основе. Поэтому оптимальными анализирующими элементами служат пористые и мезопористые материалы. При этом важно отметить, что увеличение влагочувствительности датчиков с помощью такого материала так же может сопровождаться увеличением погрешности производимых замеров. В связи с этим разработка и производство датчиков влажности требует особого контроля и соблюдения технологий формирования чувствительного элемента.

Сорбционные датчики, задействуемые при мониторинге влажности различных сред, могут иметь структуру по типу «сэндвич». Изготовление датчика осуществляется на подложках из стеклокристаллического материала или поликорового наполнителя. Электроды выполняются на основе никеля с ванадиевым покрытием. Чувствительная гидрофильная прослойка представлена специальной наноструктурированной пленкой из полимеров, ее формирование происходит по особой технике. На прослойку из полученной диэлектрической пленки наносится особо тонкое золотое покрытие (мембраны данной пленки способны селективно пропускать молекулы воды), которое берет на себя функционал второго электрода. Обеспечивает надежное исполнение конструкции непосредственное расположение контактов на уровне нижнего электрода. Постоянная времени имеет значение:

для датчика относительной влажности – 1-2 с;
для датчика микровлажности – от 10 до 180 с, такой широкий диапазон обуславливается зависимостью от уровня исследуемой концентрации влаги.

Особая технология термической обработки влажностного датчика помогает снизить значение погрешности устройства до 2 %.

Датчик влажности «сэндвич» типа:

1. Основание датчика;

2. Нижние электроды;

3. Пленка сорбента;

4. Верхний электрод.

Работа датчиков влажности часто сопряжена с применением термоизмерителей. Это помогает повышать точность исследований среды, обеспечивать корректный пересчет единиц измерения и получать максимально точные значения абсолютной и относительной влажности.

Особая роль отводится датчикам относительной влажности при мониторинге атмосферы, климата производственных помещений и жилых построек. Также без данных датчиков не обходится работа гидрометеорологического оборудования, в том числе зондов.

Датчики, применяемые для мониторинга параметров микровлажности, востребованы при исследованиях особо чистых активных газов и их сред (примером может служить аргон или кислород). Поэтому без такого измерительного оборудования не обходятся отрасли электроники, лабораторные корпуса и т. д.

Сорбционно-импедансные датчики

Определить концентрацию влаги в различных средах помогают датчики сорбционно-импедансного типа. Преимуществом этих устройств мониторинга влажности служат:

высокие показатели чувствительности;
простая технология изготовления;
компактность изделия.

Работа такого датчика основывается на зависимости комплексного сопротивления сорбционного слоя от объема поглощенной им влаги. Такие датчики влажности могут иметь два варианта конструктивного исполнения:

вышеописанная структура «сэндвич»;
с планарным размещением электродов, часто имеют форму гребенки.

Градуировочные характеристики сорбционно-импедансных средств измерения влажности зависят от сорбционного материала. Изначально в роли сорбционного слоя выступали гигроскопичные ионообразующие добавки в виде солей (такие как хлорид лития, фторид бериллия и т. д.). Измерительным датчикам подобного вида свойственны недочеты – низкая стабильность показателей, меньшая чувствительность и большая вероятность погрешностей.

Основываясь на этом, современные производители редко используют ионообразующие соли как самостоятельный влаговосприимчивый агент. Гигроскопичная соль в производстве датчиков получила вспомогательную роль – ее используют в качестве материала пропитки или добавки для повышения влагочувствительности. Основное применение в различных сферах получили импедансные измерители с полимерными сорбентами (как органическими так и неорганическими) на основе оксидов металлов. Покрытие может иметь тонкопленочный или толстопленочный вариант.

Процесс совершенствования датчиков влажности

Как в отечественном, так и в зарубежном производстве датчиков влажности просматривается эффективное направление развития – разработка инновационных влагочувствительных композиций. В целом, для этой отрасли характерны следующие особенности:

неминуемый переход на групповую планарную микроэлектронную технологию производства (применяется как тонкопленочная, так и толстопленочная);
создание мультизадачных устройств, например, интегральных датчиков температуры и влажности. Эксплуатация таких датчиков не только способствует повышению точности производимых замеров, но и приводит к упрощению процесса их калибровки;
приведение к единой системе конструкций датчиков влажности, а также средств обработки сигналов на фоне широкого применения микропроцессоров.

Существование широкого многообразия моделей датчиков влажности можно объяснить тем, что ни один из них не является универсальным. Каждый тип датчика имеет свою специфику, обладает преимуществами и недостатками, а значит выбор устройства должен происходить с учетом особенностей его применения.

Мониторинг влажности с контрольно-измерительными приборами ЭКСИС

На основе изготавливаемых датчиков влажности АО «Экологические сенсоры и системы» разрабатывает автоматизированные системы многоканального типа, а также стационарные и мобильные варианты контрольно-измерительных приборов. Последние используются для мониторинга относительной влажности и температурных показателей (устройства линейки ИВТМ-7), при исследованиях микровлажности газов (линейка ИВГ-1).

Стоит отметить, что в изданиях научно-исследовательского и технического назначения понятие датчика влажности подразумевает устройства, в составе которых присутствует влагочувствительный элемент (сенсор) и электросхема для приема и преобразования сигнала от сенсора в необходимое значение. Именно поэтому устройства мониторинга часто именуют датчиками.

Разрабатываемые устройства задействуют при решении задач в условиях производств, обеспечения условий комфортной и безопасной деятельности работника в различных промышленных сферах. Примером может служить задействование приборов измерения в электронике, на химических предприятиях, атомных станциях и т. д.

Производимые приборы обладают всеми необходимыми характеристиками для объединения устройств в общую измерительную сеть. Комплектация такой сети может включать многоканальные и одноканальные приборы, сетевые и портативные модели, измерительные преобразователи. Работе инновационных измерительных систем характерно распределенная схема управления, удаленный контроль (в том числе посредством сети Интернет) и другие современные технологии контрольно-измерительных мероприятий.

Документация

Как выбрать датчик влажности

Наиболее важные технические параметры, которые необходимо просмотреть при выборе датчика влажности, это:
- точность
- повторяемость
- взаимозаменяемость
- долгосрочная стабильность
- восстановление от конденсата
- стойкость к химическим и физическим загрязнениям
- размер
- корпус
- стоимость

Дополнительными фактора для рассмотрения могут стать стоимость замены, калибровка, сложность конструкции, надежность усилителя сигнала и схемы обработки данных. Чтобы рассмотреть все предложения, которые доступны на современном рынке электронных компонентов, необходимо рассмотреть основные типы датчиков влажности и общие закономерности работы каждого из них.

Емкостные датчики относительной влажности (RH)

Емкостные датчики влажности широко используются в современном промышленном оборудовании, бытовой технике и телеметрических системах сбора метеорологических данных.

Такие датчики конструктивно состоят из подложки, на которой расположен тонкопленочный полимерный или металлооксидный между двумя проводящими электродами. Чувствительная поверхность покрыта пористым металлическим электродом для защиты от загрязнения и конденсата. Подложка обычно изготавливается из стекла, керамики или кремния. Инкрементальные изменения в диэлектрической константе емкостного датчика влажности практически прямо пропорциональны относительной влажности окружающего воздуха. При колебании влажности на 1% емкость изменяется на 0.2-0.5 пФ, а при 50% влажности (25°С) колебания могут достигать от 100 до 500 пФ.

Емкостные датчики влажности характеризуются низким температурным коэффициентом, возможностью работы на высоких температурах (вплоть до 200°С), возможностью полного восстановления от попадания конденсата и умеренной стойкостью к химическим испарениям. Время отклика датчиков составляет от 30 до 60 с для шага изменения влажности в 63%.

Современные технологии производства емкостных датчиков интегрировали в себя многие достижения полупроводниковой электроники, чтобы добиться минимального смещения параметров и гистерезиса при долгосрочной эксплуатации. Например, тонкопленочные емкостные датчики могут интегрировать на подложке монолитную микросхему усилителя сигнала. Часто современные усилители сигналов имеют CMOS генератор для сглаживания линейного выходного сигнала.

Емкостные датчики точки росы

Тонкопленочные емкостные датчики отличаются дискретным изменением сигнала при малой относительной влажности. Их работа характеризуется стабильностью и минимальным сдвигом во всем периоде эксплуатации. Однако такие датчики не имеют линейного выхода, когда относительная влажность падает ниже нескольких процентов. Такая особенность датчиков привела к разработке системы измерения точки росы, которая объединяет емкостной датчик с микропроцессорной схемой, хранящей данные калибровки в блоке энергонезависимой памяти. Такой подход к решению проблемы значительно сократил стоимость гигрометров и передатчиков точки росы, которые используются в системах кондиционирования воздуха и телеметрических системах сбора метеорологических данных. Датчики монтируются на микросхеме, которая имеет выходной сигнал по напряжению в зависимости от уровня относительной влажности. Микропроцессорное управление запоминает уровень напряжения на уровне 20 в диапазоне температур -40…27°С. Опорные значения подтверждается с NIST гигрометром, работающим по технологии охлаждаемого зеркала на элементах Пельтье. Уровень напряжения в точке росы и точке замерзания сохраняется в EPROM память датчика. Микропроцессор использует эти данные для расчета алгоритма линейной зависимости при одновременном измерении температуры сухого термометра и давления водяного пара. Как только определено давление водяного пара, температура точки росы рассчитывается из термодинамической зависимости, хранящейся в EPROM памяти. Корреляция с технологией измерения охлаждаемого зеркала выше ±2°С для точки росы в диапазоне -40…-7°С и выше ±1°С в диапазоне -7…27°С. Долгосрочная стабильность датчика составляет менее 1.5°С в год. Измерительные метрологические приборы, работающие по этому принципу, широко используются в различных приложениях, благодаря своей привлекательной цене по сравнению с приборами на технологии охлаждаемого зеркала.

Резистивные датчики влажности

Резистивные датчики влажности фиксируют изменения электрического сопротивления гигроскопической среды (например, проводящего полимера, соли или обработанной подложки).

Резистивные датчики имеют бифилярную намотку. После покрытия гигроскопическим полимером, их сопротивление оказывается обратно пропорциональным влажности.

Обычно, резистивные датчики состоят из металлических электродов, наложенных на подложку с помощью фоторезистора или намотанных на пластиковых или стеклянный цилиндр электродов. Подложка покрывается солевым или проводящим полимером. Когда он растворяется или помещается в жидкое вещество, он ровно покрывает датчик. В другом случае, подложка может быть обработана каким-либо химическим реагентом, например, кислотой. Датчик поглощает водяной пар и ионные группы распадаются, что увеличивает электрическую проводимость. Время отклика для большинства резистивных датчиков составляет от 10 до 30 секунд для шага измерений 63%. Диапазон сопротивлений типичного резистивного элемента колеблется от 1 кОм до 100 МОм.

Большинство резистивных датчиков используются АС напряжение возбуждения без смещения постоянным током для предотвращения поляризации датчика. Образовывающийся ток конвертируется и выпрямляется в сигнал постоянного напряжения для дальнейшего усиления, линеаризации или аналого-цифрового преобразования.

Номинальная частота составляет от 30 Гц до 10 кГц.

Резистивные датчики не является полностью резистивные за счет емкостного эффекта в диапазоне более 10-100 МОм. Главное преимущества резистивных датчиков влажности заключается в их отличной взаимозаменяемости (обычно она составляет ±2% отн.влаж.), что позволяет использовать резистор для калибровки схемы усиления сигнала на фиксированном уровне влажности. Это позволяет устранить необходимость в стандартах калибровки влажности. Точность каждого резистивного датчика влажности можно измерить в калибровочной емкости или с помощью специальной компьютерной системы. Диапазон рабочих температур резистивных датчиков влажности составляет от -40 до 100°С.

В условиях бытовой и коммерческой эксплуатации срок службы таких датчиков составляет более 5 лет, однако воздействие химических паров и других загрязнений (масла, например) может привести к их досрочному выходу из строя. Другой недостаток резистивных датчиков влажности - их тенденция к сдвигу значений при работе в конденсате, если используется растворимое в воде покрытие. Резистивные датчики имеют значительную зависимость от температуры, когда применяются в среде с большими температурными изменениями (более 10°F). В тоже время, схема термокомпенсация может быть добавлена в конструкцию датчика для увеличения его точности. Таким образом, основными преимуществами резистивных датчиков являются небольшие размеры, малая стоимость, взаимозаменяемость и долгосрочная стабильность.

В конструкции современных резистивных датчиков используется керамическое покрытие для снижения слияния условий окружающей среды при возникновении конденсата. Датчики состоят из керамической подложки с металлическими электродами, нанесенными по фоторезистивной технологии. Поверхность подложки покрыта проводящим полимером (или смешанным керамическим составом), а сам датчик помещается в защитный пластиковый корпус с пылевым фильтром.

Связующим материалом является керамический порошок, взвешенный в жидкой среде. После того, как поверхность покрыта и высушена, датчики обрабатывается высокой температурой. Результатом является толстопленочное покрытие, нерастворимое в воде, которое полностью защищает датчик от конденсата.
После попадания в воду, типичное время восстановления до уровня 30% датчика с керамической подложкой составляет 5-15 минут, в зависимости от скорости движения воздуха.

Взаимозаменяемость датчиков составляет менее 3% в диапазоне измерений 15-95% отн.влажнсоти. Точность составляет ±2%. При использовании датчика вместе со схемой усиления сигнала, выходное напряжение прямо пропорционально относительной влажности окружающей среды.

Теплопроводящие датчики абсолютной влажности

Такие датчики измеряют абсолютную влажность путем определения разницы между теплопроводимостью сухого воздуха и воздуха, насыщенного водяными парами.

Для измерения абсолютной влажности на высоких температурах часто используются теплопроводящие датчики. Их рабочий принцип сильно отличается от резистивных и емкостных датчиков.

Если воздух или газ сухой, он имеет значительные возможности поглощения тепла. Типичный пример - климат пустынь. Днем в пустыне очень жарко, однако ночью температура резко падает благодаря сухому атмосферному климату. И наоборот, влажный климат не может так быстро охлаждаться, поскольку тепло сохраняется водяными парами в атмосфере.

Теплопроводящие датчики влажности (или датчики абсолютной влажности) состоят из двух согласованных NTC термисторов, включенных по мостовой схеме. Выходное напряжение моста прямо пропорционально абсолютной влажности. Один термистор герметично изолирован в сухом азоте, а корпус другого открыт.

При прохождении тока через термисторы, термосопротивление увеличивает температуру до более 200°С. Тепло, рассеиваемое с герметичного термистора, больше, чем тепло открытого термистора, за счет разницы в теплопроводимости водяного пара и сухого азота. Поскольку рассеиваемое тепло создает разные рабочие температуры, разница сопротивления термисторов пропорциональна абсолютной влажности.

Простая сборка резисторов дает выходное напряжение в диапазоне 0 - 130 г/куб.м при 60°С. Калибровка проводится путем помещения датчика в сухую воздушную среду или в азот с регулировкой выходного сигнала до нуля. Датчики абсолютной влажности имеют долгий срок службы, их рабочая температура достигает 300°С, а корпус датчиков устойчив к химическим парам.

Если надолго забыть о поставленной на горячую плиту посуде с водой, выпарившиеся несколько литров воды и испорченная посуда вас не обрадуют. Чтобы такого не случалось, можно собрать несложное устройство, которое, будучи размещённым, например, на кухне, известит звуковыми сигналами о высокой влажности в помещении.

Схема сигнализатора повышенной влажности воздуха представлена на рис. 1. По совместительству он может подать сигнал и об образовавшейся на полу луже, что уменьшит неприятности в случае повреждения водопроводного либо отопительного оборудования или переполнения раковины при оставленном на длительное время открытом кране и засорившемся сливном отверстии.

Рис. 1. Схема сигнализатора повышенной влажности воздуха

В качестве чувствительного элемента в сигнализаторе применён газорезистор B1. Такие использовались в кассетных видеомагнитофонах и видеокамерах для блокировки работы лентопротяжного механизма при высокой влажности воздуха внутри корпуса аппарата. Логические элементы DD1.1 и DD1.2 образуют генератор импульсов, следующих примерно 15 раз в минуту. Эта частота задана резисторами R13, R15, R16 и конденсатором C9. Благодаря диоду VD7 импульсы значительно (приблизительно в 10 раз) короче пауз между ними.

Когда газорезистор сухой, его сопротивление не превышает 1...3 кОм и напряжения в точке соединения резисторов R4, R5, R7 недостаточно для открывания транзистора VT1. Закрыт и транзистор VT2. Логический уровень напряжения на нижнем (по схеме) входе элемента DD1.1 - низкий, чем запрещена работа генератора импульсов на элементах DD1.1 и DD1.2, причём на выходе элемента DD1.2 установлен низкий уровень, в свою очередь запрещающий работу генератора импульсов звуковой частоты на элементах DD1.3 и DD1.4.

Если влажность окружающего газорезистор воздуха повысится (для проверки достаточно сделать с расстояния 5...10 см два-три выдоха на газорезистор), то сопротивление газорезистора возрастёт до 10...20 МОм. Увеличившимся напряжением на базе транзистор VT1 будет открыт, вместе с ним откроется и транзистор VT2. На нижнем (по схеме) входе элемента DD1.1 будет установлен высокий логический уровень напряжения. Оба генератора импульсов заработают. Пьезоизлучатель звука HA1 станет каждые 4 с подавать звуковые сигналы длительностью около 0,5 с.

Обратная связь через резистор R7 ускоряет открывание и закрывание транзисторов VT1, VT2 и создаёт небольшой гистерезис в характеристике их переключения. Это обеспечивает чёткое без "дребезга" срабатывание сигнализатора при медленном приближении влажности к пороговой. Порог срабатывания устанавливают подстро-ечным резистором R3.

Устройство подаст сигнал и в том случае, если транзистор VT1 останется закрытым, а транзистор VT2 откроется в результате замыкания пролитой водой контактов E1 и E2. Резисторы R6 и R8 не только ограничивают базовый ток транзистора VT2, но и уменьшают опасность поражения электрическим током человека, прикоснувшегося к контактам. Сетевое напряжение может попасть на них в результате проникновения воды внутрь сигнализатора или нарушения изоляции между обмотками трансформатора T1.

Чтобы сигнализатор не досаждал звуковыми сигналами, пока устраняются причины его срабатывания, нажатием на кнопку SB1 можно заблокировать работу генераторов приблизительно на 18 мин. Столько времени конденсатор С8, разряженный нажатием на кнопку, будет заряжаться через резистор R17. Резистор R22 ограничивает разрядный ток конденсатора, предохраняя контакты кнопки от обгорания. Следует отметить, что восстановление низкого сопротивления газорезистора B1 по окончании воздействия высокой влажности происходит очень медленно. Поэтому, чтобы избавиться от назойливых сигналов, может потребоваться нажимать на кнопку SB1 несколько раз.

Пьезоизлучатель звука HA1 подключён к выходам элементов DD1.3, DD1.4 через эмиттерные повторители на транзисторах VT5, VT6 и VT7, VT8. Это увеличивает нагрузочную способность генератора и даёт возможность подключить к нему несколько излучателей звука параллельно, разместив их, например, в разных помещениях.

Светодиод HL1 сигнализирует о включении сигнализатора в сеть, а светодиод HL2 включается в моменты подачи звуковых сигналов, а также при заблокированной низким уровнем напряжения на конденсаторе C8 работе генераторов. Конденсаторы C1 и C2 предотвращают ложные срабатывания сигнализатора, вызванные помехами.

Напряжение сети 220 В поступает на первичную обмотку понижающего трансформатора T1 через защитные резисторы R1 и R2. Варистор RU1 защищает трансформатор от всплесков напряжения сети. Напряжение около 17 В с вторичной обмотки трансформатора выпрямляет диодный мост VD2-VD5. Все узлы стабилизатора питаются напряжением +9,2 В, получаемым из выпрямленного с помощью стабилизатора на транзисторах VT3 и VT4. Его значение зависит от напряжения стабилизации стабилитрона VD6.

Поскольку в качестве T1 в конструкции применён маломощный понижающий трансформатор от копировального аппарата "Xerox", рассчитанный на ток нагрузки около 10 мА, ток через стабилитрон выбран очень маленьким - менее 1 мА. Небольшая мощность трансформатора определила и выбор характера звукового сигнала - короткий тональный импульс и длинная пауза.

Можно использовать и более мощный трансформатор, например ТПК-2-12В, рассчитанный на ток нагрузки до 0,21 А. Для самостоятельного изготовления трансформатора подойдёт Ш-образный магнитопровод с площадью сечения центрального стержня 2 см 2 . Первичная обмотка должна состоять из 5900 витков обмоточного провода диаметром 0,06 мм. Вторичную обмотку, содержащую 500 витков, наматывают проводом диаметром около 0,2 мм. Пластины магнитопровода собирают вперекрышку. Готовый трансформатор можно покрыть эпоксидным компаундом.

Большинство деталей устройства размещены на монтажной плате размерами 75x45 мм, изображённой на рис. 2. На небольших отдельных платах смонтированы резисторы R6, R8 и резисторы R1, R2 c варистором RU1.

Рис. 2. Размещение деталей устройства на монтажной плате размерами 75x45 мм

Использована также готовая плата от сетевого адаптера, на которой установлены диоды VD2-VD5 и конденсатор C3. Все эти платы после изготовления покрыты со стороны монтажа влагозащитным лаком, например ХВ-784. Вместе с трансформатором T1 они размещены в пластмассовом корпусе размерами 160x110x32 мм от приёмника охранной сигнализации RR-701R.

Газорезистор B1, извлечённый из видеомагнитофона Funai, закреплён на массивной металлической пластине и вместе с ней помещён в пластмассовый корпус размерами 46x42x15 мм (рис. 3) с отверстиями для доступа воздуха. Чувствительность его значительно выше, чем у отечественного газорезистора ГЗР-2Б, применённого в конструкции, описанной в статье "Светозвуковой сигнализатор выкипания воды" ("Радио", 2004, № 12, с. 42, 43). Тем не менее ГЗР-2Б и другие аналогичные газорезисторы могут работать и в описываемом сигнализаторе.

Рис. 3. Газорезистор B1 на металлической пластине

В устройстве могут быть применены постоянные резисторы любого типа (МЛТ, С1-4, С1-14, С2-23). Желательно, чтобы резисторы R1 и R2 были невозгораемыми. Подстроечный резистор R3 - миниатюрный в корпусе, защищающем его от внешних воздействий. Крайне нежелательно использовать подстроечные резисторы открытого исполнения (например, СП3-38) из-за их низкой надёжности. Варистор RU1 - HEL14D471K или другой дисковый с классификационным напряжением 470 В.

Оксидные конденсаторы - К50-68, К53-19, К53-30 и их импортные аналоги. Конденсатор C8 должен быть с малым током утечки. Экземпляр, использованный автором, имеет ток утечки менее 10 нА при напряжении 18 В. Остальные конденсаторы - керамические К10-17, К10-50, КМ-5 или их аналоги. Конденсатор C4 должен быть рассчитан на напряжение не ниже 35 В.

Вместо диодов 1 N4002 подойдут любые из 1N4001- 1 N4007, UF4001 -UF4007, а также серий КД208, КД209, КД243. Диоды 1N4148 можно заменить на 1SS244, 1N914, КД510А, КД521А, КД521Б, КД522А, КД522Б. Стабилитрон BZV55C-10 заменяется на TZMC-10, КС210Ц, КС210Ц1, 2С210К1, 2С210К, 2С210Ц, транзисторы 2SC1685 и 2SC2058 - на 2SC1815, 2SC1845, SS9014, а также серий КТ3102, КТ6111, а транзистор 2SA1015 - на SS9012, SS9015, 2SA733 или серий КТ3107, КТ6112. Замена транзисторов 2SC2331 - 2SC2383, SS8050, BD136, BD138, КТ646А, КТ683А. Вместо транзисторов 2SA1273 и 2SA1270 пригодны SS8550, 2SB564, BD231, КТ639А, КТ644А, КТ684А. Следует иметь в виду, что предлагаемые в качестве замены транзисторы могут иметь отличия в типе корпуса и расположении выводов.

Микросхему К561ЛА7 заменят отечественные КР1561ЛА7, Н564ЛА7, 564ЛА7 (две последние в других корпусах) или импортная CD4011А.

Дроссель L1 - малогабаритный промышленного изготовления индуктивностью не менее 100 мкГн и сопротивлением обмотки 3...30 Ом. Кнопка SB1 - ПКн-125.

Излучатель звука HA1 - пьезоэлектрический вызывной прибор телефонного аппарата. Его собственная ёмкость - 0,03 мкФ. Подойдут и другие пьезоизлучатели, даже большей ёмкости, рассчитанные на напряжение не менее 20 В. Несколько таких излучателей можно соединить параллельно. Вместо пьезоизлучателя к выходу прибора можно подключить через неполярный разделительный конденсатор электромагнитный телефонный капсюль или динамическую головку с сопротивлением обмотки не менее 32 Ом, например PQAS57P3ZA-DZ.

Датчик протечки воды можно сделать, например, из пластины фольгированного с одной стороны стеклотекстолита. Фольгу разделяют по ломаной линии зазором на две изолированные части, одна из которых служит электродом E1, а вторая - электродом E2. Чем больше протяжённость зазора, тем выше вероятность того, что первые же упавшие на пластину капли воды попадут на него и замкнут электроды.

Несколько таких датчиков, соединив их параллельно, можно разместить в наиболее опасных, с точки зрения протечки воды, местах, например, под радиаторами отопления, стиральной машиной, сочленениями водопроводных труб. Коробку с газорезисто-ром помещают в наиболее подверженном запотеванию при высокой влажности месте помещения, но не на окне.

Подстроечным резистором R3 устанавливают порог срабатывания сигнализатора. Если "сухое сопротивление" газорезистора B1 восстанавливается после снижения влажности слишком долго, в сигнализатор можно установить резисторы R4 и R5 втрое меньшего сопротивления. Повысить чувствительность датчика протёкшей воды можно увеличением сопротивления резистора R9 до 100 кОм. Подбирая сопротивление резистора R20, можно установить желаемую тональность звуковых сигналов. Для удобства проверки работоспособности и налаживания сигнализатора конденсатор C8 можно временно отключить.

Дата публикации: 13.09.2015

Мнения читателей

Иван / 05.04.2016 - 09:28
А есть структурная схема,описание микросхем и печатная плата?

Приборы, измеряющие влажность, называют гигрометрами. Их можно также назвать и датчики влажности. В обыденной жизни влажность – это немаловажный параметр. Она важна для сельхозугодий, техники.

От процента влажности зависит здоровье человека. Метеозависимые люди очень чувствительны к этому параметру. Также от нее зависит здоровье больных астмой, гипертонией. Когда воздух сухой здоровые люди чувствуют сонливость, раздражение кожи, зуд. Излишне сухой воздух провоцирует болезни дыхания.

На заводах и фабриках влажность оказывает влияние на сохранность сырья и выпускаемой продукции, и станков. В сельскохозяйственных угодьях влажность оказывает влияние на почву, ее плодородие. Чтобы владеть информацией о влажности применяют гигрометры (датчики влажности).

Классификация датчиков влажности

Некоторые приборы изготавливают калиброванными под определенную влажность, но для точной настройки нужно знать точное значение этого параметра в воздухе.

Влажность измеряется по параметрам:

Воздух и газы определяются по влажности в г*м 3 при абсолютной величине, или при относительной величине в RН.
Твердые предметы, жидкости, измеряют в % от веса образца .
Жидкостей не смешиваемых, влажность меряют частями воды (ррm) .

Емкостные датчики влажности

Эти чувствительные элементы можно представить, как элементарные конденсаторы с двумя пластинами, между которыми находится воздух. Это наиболее простая конструкция. Воздух не проводит электрический ток в сухом состоянии. При ее изменении, меняется и емкость конденсатора.

Конструкцией более сложной является емкостный датчик с диэлектриком, который значительно изменяется от влажности. Такой способ повышает качество датчика, по сравнению с воздушным типом.

Второй тип лучше применять для измерений на предметах твердых. Предмет размещается между пластинами конденсатора, который подключается к контуру колебаний, к генератору. Делается замер частоты контура колебаний, по результату рассчитывается емкость образца.

Такой способ измерения содержит негативные стороны. При влажности материала менее 0,5 процента, точность будет низкой, материал должен быть чистым от веществ с высокой проницаемостью. Важнейшим также является геометрическая форма предмета, которая не должна меняться в опыте по измерению влажности.

Третий тип датчика представляет собой тонкопленочный гигрометр, включающий подложку с двумя электродами в виде гребенки. Они являются обкладками. Для компенсации температуры в 1 датчик включены 2 термоэлемента.

Резистивные датчики влажности

Резистивные датчики состоят из 2-х электродов. Они нанесены на подложку. На электроды наложен слой токопроводящего материала. Но этот материал значительно меняет значение сопротивления в зависимости от влажности.

Подходящим по чувствительности материалом стал оксид алюминия. Он поглощает влагу извне, его сопротивление значительно меняется. В итоге полное сопротивление сети датчика имеет большую зависимость от влажности. Значение проходящего тока будет показывать о значении влажности. Преимуществом таких датчиков стала их небольшая стоимость.

Термисторный вариант датчика

Гигрометр на термисторах включает два однотипных термистора. Это нелинейные компоненты. Их сопротивление прямо пропорционально температуре. Один из термисторов расположен в герметичной камере с сухим воздухом. 2-й термистор находится в камере с отверстиями. Через них поступает влажный воздух. Эту влажность нужно определить. Термисторы подключены по мостовой схеме. Разность потенциалов подается на одну диагональ, показания снимают с другой.

При нулевом напряжении на выходе термисторов, их температура одинакова, поэтому влажность обоих термисторов также равна. При нулевом напряжении влажность разная. Поэтому, по измеренному напряжению рассчитывают влажность.

Возникает вопрос, почему при изменении влажности меняется температура термистора. Ответить можно так. При повышении влажности с поверхности термистора испаряется вода, и температура термистора снижается. Чем больше показатель влажности, тем эти процессы протекают более стремительно, термистор остывает быстрее.

Оптические датчики влажности

В его основе действия определения влажности стоит точка росы. Когда достигается это состояние точки росы, то жидкость и газ приобретают равновесие термодинамики.

Если стекло расположить в газовой среде с температурой, находящейся выше точки росы, далее снижать температуру стекла, то на стекле возникнет конденсат. Это процесс перехода воды в жидкое состояние. Температура такого перехода и называется точкой росы. Температура этой точки зависит от давления и влажности среды. В итоге, если мы сможем определить температуру и давление, то легко вычислим и влажность. Такой метод является основным.

Простая цепь датчика включает светодиод, испускающий свет на поверхность зеркала, отражающего и изменяющего его направление. В нашем случае есть возможность изменять температуру зеркала путем подогрева или охлаждения устройством регулировки температуры особой точности. Можно использовать термоэлектрический насос. На зеркало монтируют датчик температуры.

Перед началом замеров температуру зеркала устанавливают так, чтобы его значение было больше точки росы. Затем охлаждают зеркало. На зеркале будут образовываться водяные капли, вследствие этого луч света, поступающий от светодиода, будет преломляться и рассеиваться, что приведет к снижению тока в фотодетекторе.

Владея информацией от фотодетектора, регулятор будет поддерживать температуру на зеркале, а термодатчик определит температуру. Зная давление и температуру, определяют влажность.

Оптический датчик имеет максимальную точность, по сравнению с другими аналогами. Из недостатков можно выделить повышенную стоимость и немалый расход энергии, а также обслуживание, которое заключается в поддержании поверхности зеркала в чистом виде.

Электронный гигрометр

Его принцип действия заключается в изменении электролита, которым покрыт изоляционный материал. Имеются устройства с автоподогревом, поддерживающие температуру точки росы.

Замер температуры точки росы проводится над раствором хлорида лития. Этот раствор очень чувствительный к самым малым изменениям влажности. Для наибольшего удобства к гигрометру прикрепляют термометр. Такой гигрометр имеет повышенную точность, небольшую погрешность. Он может измерить влажность при любой температуре среды.

Большую известность имеют обычные электронные гигрометры с двумя электродами. В почву втыкаются два электрода. По степени проводимости тока определяют влажность. Перед приобретением датчика нужно определиться, для чего он будет применяться, диапазон замеров, точность и т. д. Наиболее точным прибором является оптический датчик. В зависимости от условий нужно обратить внимание на класс защиты, интервал температур измерения.

Датчики влажности своими руками

Многие умельцы хотят собственными руками сделать гигрометр для вентилятора. Для такой работы им понадобятся современные цифровые устройства:

Сенсорные датчики и температуры (DНТ 11, DНТ 22).
Устройство обработки данных на основе Ардуино.

– устройство, состоящее из комплекта микропроцессоров, собранных на недорогих микроконтроллерах. Оно имеет открытые понятные схемы. Любой желающий может узнать в интернете, какие составные части входят в схему, какая будет у него цена. Подключение вентилятора к такому устройству не составит труда. Интересным фактом является взаимодействие такого устройства с компьютером. Существует множество драйверов и специальных программ, с помощью которых можно работать и выполнять разные операции.

Если учесть стоимость в настоящее время, то хочется сделать своими руками вытяжной вентилятор в комплекте с датчиком влажности. Но такие устройства рекомендуется изготавливать для задач сложнее. Можно, например, соединить в одну сеть множество разного оборудования. Многие фирмы монтируют датчики влажности на выпускаемое оборудование. Вследствие этого не имеет серьезного смысла этим заниматься, и делать то, что уже давно сделано.

Если сделать увлажнитель для дома и попытаться подключить его к вентилятору, то это совсем другое дело. Для таких целей необходимо разработать несколько схем.

Можно найти и подобный датчик влажности для вентилятора. Такие имеются на оборудовании компании Honeywell. Их действие основывается на способе работы конденсатора. Могут отпугнуть такие понятия, как «особая полимерная изоляция», или «электроды платиновые». Эти устройства стоят не дешево. Сначала нужно изучить этот вопрос и определиться, нужно это или нет. Довольно сложной работой окажется и сборка схемы замера аналогового значения, и градуировка датчика.

Компания Regeltechnik производит сенсоры совмещенного типа для измерения влажности и температуры, как для внешней среды, так и для внутри зданий и помещений.

Канальные датчики влажности

Существуют гидростаты канального вида. Применение их пока остается не очень понятным. В заводских условиях это можно как-либо объяснить. На электростанции имеется контроль множества параметров. Там высокая влажность в вентиляционном канале системой автоуправления может определиться, как нарушение функций оборудования.

Для домашнего хозяйства канальный вентилятор с датчиком влажности нигде не пригодится, так как он не предназначен для контроля значений среды. Если канальный вентилятор эксплуатируется сразу на множество помещений, и образуется влага в канале, то это является командным сигналом для увеличения скорости работы электродвигателя вентилятора. Это возникает при близком к холостому ходу режиме. В этом случае датчик влажности с вентилятором станут мощной системой экономии электричества. Эксплуатация этой системы на полную мощность осуществится только при необходимости.

Можно также сделать управление действием рекуператора и аналогичного оборудования. Его смысл заключается в том, что при нормальном режиме происходит экономия электричества.

Влажность рекомендуется создавать в пределах 40-60 процентов. Иногда появляется в таких случаях задача по увлажнению. Вентилятор с устройством увлажнения может достичь номинальных параметров автоматически, так как в его составе имеется встроенный гигростат, другими словами генератор пара. Эти приборы востребованы в летний период в сухих климатических условиях. Вентиляторы могут при помощи цифровой управляемой системы бороться с капризами природы. Плохой погоды не бывает, но микроклимат всегда можно оптимизировать.