Виды датчиков влажности, их принцип работы, устройство и применение. Звуковой сигнализатор влажности Основные технические параметры DHT11

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.

Рисунок 1. Отечественные приборы Роса-10 в различном исполнении

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.


 Рисунок 2. Все современные климатические системы снабжены модулем, измеряющим влажность

Прежде чем перейти к теории, определимся с терминологией.

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:



 Рисунок 4. Датчик воды SYH-2RS

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



 Рисунок 6. Аспирационный измеритель влажности МВ-4М

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.


 Рисунок 7. Устройство резистивного сенсора

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.


 Рисунок 8. Модуль HIG-2 с релейным выходом

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.


 Рисунок 9. Схема подключения вентилятора к модулю контроля влажности

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.


 Рисунок 10. Беспроводной сенсор производства компании Xiaomi

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.


 Рисунок 11. Сенсор Gardena, управляющий системой полива

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.


 Рисунок 12. Измеритель влажности с выносным датчиком из серии ИВИТ-М

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.


 Рисунок 13. Сенсоры влажности для платформы Arduino

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.


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?

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.

Многие современные импортные стиральные машины обору­дованы сигнализаторами подтекания воды из них. Устаревшие или более дешевые модели стиральных машин такой сервис­ной функции не имеют. К сожалению, некоторые их владель­цы уже на собственном опыте знают, что такое "потоп" и "сколько это будет стоить". Чтобы не испытать это чувство, можно заранее воспользоваться материалами статьи.

Схема простейшего сигнализа­тора повышения влажности приве­дена на рис. 1. Она контролирует состояние датчика влажности (сенсо­ра), который подключается к контак­там К1 "SENSOR". Конструкция дат­чика может быть самой различной.

Все зависит от возможностей его изготовителя. В простейшем слу­чае достаточно воспользоваться "печатной" платой, на которой име­ются два проводника, расположен­ные на удалении 0,5...1,5 мм друг от друга. Для повышения эффек­тивности работы такого датчика при минимальных его размерах можно сделать проводники в виде спирали. Это позволит увеличить "зону взаимодействия" проводни­ков без значительного увеличения габаритов датчика.

На микросхеме интегрального таймера IC1 типа NE555 выполнен моностабильный генератор им­пульсов. Собственная частота ге­нератора определяется номинала­ми резисторов R1, R2 и конденса­тора С1.

К выходу схемы (КЗ "OUT- REPRO") подключается любой электромагнитный или динамичес­кий излучатель. Для исключения перегрузки микросхемы по выходу необходимо, чтобы его сопротивле­ние при напряжении питания мик­росхемы 9 В было более 50 Ом. Можно воспользоваться и малогаба­ритным пьезоизлучателем. При этом его надо будет зашунтировать рези­стором сопротивлением 2...20 кОм. В качестве конденсатора С2 при этом достаточно будет использовать неполярный керамический конден­сатор емкостью до 0,22...0,68 мкФ или вообще заменить конденсатор С2 ... перемычкой. Смелее экспе­риментируйте!

При сухом датчике влажности транзистор Т1 будет в непроводя­щем состоянии, напряжение пита­ния на микросхему IC1 не подает­ся и она обесточена. Если влаж­ность в месте расположения датчи­ка "SENSOR" повысится, то тран­зистор Т1 получит смещение базо­вого перехода и отопрется. Микро­схема IC1 получит питание и начнет генерировать электрические сигна­лы звукового диапазона частот. "Зазвучит" излучатель, сигнализи­руя о протечке воды в месте уста­новки датчика.

Для повышения чувствительно­сти работы схемы целесообразно в качестве Т1 использовать тран­зисторы с большим коэффициен­том усиления, например, ВС549С или отечественные КТ3102Е.

Схема рис. 1 очень простая и типовая. Казалось бы, что в ней еще усовершенствовать? Действи­тельно, начинающие радиолюбите­ли могут повторять ее. Собствен­но, на них она и была рассчитана. Более любознательные читатели могут задаться вопросом рацио­нальности предлагаемого в схеме рис. 1 способа включения/вык­лючения генерации микросхемы электронного таймера серии 555. Из алгоритма работы этих микро­схем известно, что в зависимо­сти от напряжения на выводе 4 тай­мер может находиться в рабочем или пассивном (заторможенном) состоянии. Так, если на вывод 4 по­дано напряжение менее 0,4 В, то на выходе таймера (независимо от сигналов на других его входах) ус­танавливается напряжение низко­го уровня. Этот режим называется пассивным.

Если напряжение на выводе 4 превышает 1 В, то цепь блокиров­ки работы таймера автоматически выключается и не влияет на после­дующую работу таймера. Это ак­тивный режим. Микросхема может работать как моностабильный ге­нератор в данном случае. Ток уп­равления микросхемой по выводу 4 очень мал и не превышает 0,2 мА. Это позволяет изменить схему уп­равления ее работой. Дело в том, что с повышением влажности в области датчика "SENSOR" сопро­тивление самого датчика меняет­ся не скачкообразно, а постепенно. Примерно так же постепенно будет уменьшаться и сопротивление пе­рехода эмиттер-коллектор транзи­стора Т1. Возрастает напряжение питания микросхемы IC1. Пример­но при 3...4 В она начинает гене­рировать, но громкость звука в громкоговорителе "REPRO" будет очень слабой. По мере повышения влажности в зоне датчика гром­кость возрастает.

Целесообразнее постараться придать сигнализатору влажности релейные свойства - сигнал трево­ги должен быть достаточно силь­ным уже при минимально допусти­мом уровне контролируемого пара­метра (влажности). Для этого, ве­роятно, достаточно вывод 8 (+Vcc) микросхемы IC1 и резистор R1 под­ключить непосредственно к выхо­ду выключателя питания S1. Вывод 4 этой микросхемы соединяют с эмиттером транзистора Т1 и допол­нительным резистором R3. Второй конец этого резистора должен быть соединен с минусом питания мик­росхемы - рис. 2.

Как и ранее, пока датчик влажности сух, транзистор Т1 находится в непроводящем со­стоянии. Тока эмиттера транзисто­ра и падения напряжения на рези­сторе R3 нет. Таймер "заторможен" по выводу 4.

При повышении влажности транзистор Т1 отпирается, ток эмиттера(коллектора)создает па­дение напряжения на резисторе R3. Как только на этом резисторе будет более 0,4...1 В, таймер раз­блокируется и начинает генериро­вать импульсы. Релейный режим управления работой генератора НЧ при линейном изменении сопро­тивления датчика влажности дос­тигнут.

В заключение хотелось бы выс­казать предположения в выборе типа транзистора Т1 и номинала резистора R3. Поскольку ток тай­мера 555 по выводу 4 может быть очень мал (менее 0,5 мА), то зада­димся током коллектора этого транзистора, например, 2 мА. Зна­чит, при напряжении питания схе­мы 9 В сопротивление R3 может быть 4,3 кОм.

Получение столь небольшого тока через транзистор Т1, вероят­но, возможно и при не столь уж и большом коэффициенте его усиле­ния. А это допускает применение в качестве Т1 любых типов мало­мощных транзисторов без их под­бора. Возможно, целесообразно выполнить эмиттерную нагрузку транзистора Т1 в виде цепочки из двух резисторов (R3 и R4) - рис. 3. Это дополнительно облегчит на­стройку схемы.

Литература:
1. Poplachove cidlo vlhoctf // Amaterske RADIO. 2009. №12. S.3.
2. B.H. Вениаминов, O.H. Лебе­дев, А.И. Мирошниченко. Микро­схемы и их применение // М.: Изда­тельство "Радио и связь". 1989. С.81 -82.

Это простое самодельное устройство используется для воды или другой жидкости, В различных помещениях или в емкостях. Например,эти датчики очень часто используют для фиксации возможного затопления подвала или погреба талыми водами или на кухне под мойкой и т.п.


Роль датчика влажности выполняет кусок фольгированного стеклотекстолита с прорезанными в нем канавками,и как только в них попадет вода автомат отключит нагрузку от сети. Или если использовать тыловые контакты реле-автомат включит насос или или нужное нам устройство.

Сам датчик изготавливаем точно также как и в предыдущей схеме. Если жидкость попадет на контакты датчика F1 звуковой сигнализатор начнет издавать постоянный звуковой сигнал, а также загорится светодиод HL1.

Тумблером SA1 можно менять порядок индикации HL1 на непрерывное свечение светодиода в дежурной режиме.

Эту схему датчика влажности можно использовать в качестве сигнализатора дождя, переполнения какой-либо емкости с жидкостью, протечки воды и т.д. Питание схемы может быть подано от любого постоянного источника питания напряжением пять вольт.

Источником звукового сигнала является звукоизлучатель со встроенным звуковым генератором. Датчик влажности изготавливаем из полоски фольгированного текстолита, у которого сделана тонкая дорожка в фольге. Если датчик сухой, то звуковой сигнал не сигнализирует. В случае намокания датчика, мы сразу услышим прерывистый сигнал тревоги.

Питается конструкция от батарейки типа крона и ее хватит на два года, потому что во время режима ожидания, схема потребляет почти нулевой ток. Еще одним бонусом схемы можно считать тот момент, что практически любое число датчиков можно подключить параллельно входу и таким образом образом охватить всю контролируемую площадь за раз. Схема детектора построена на двух транзисторах типа 2N2222, соединенных способом Дарлингтона".

Перечень радиокомпонентов

R1, R3 - 470K
SW1 - кнопка
R2 - 15к
SW2 - переключатель
R4 - 22K
B1 - батарея типа крона
C1 - конденсатор емкостью 0.022 мкФ
T1, T2 - входные клеммы
PB1 - (RS273-059) пьезо-зуммер
Q1, Q2 - транзисторы типа 2N2222

Когда первый транзистор открывается, он сразу же отпирает второй, который включает пьезозуммер. При отсутствии жидкости оба транзистора надежно заперты и потребляется очень низкий ток от батареи питания. Когда зуммер включается, потребляемый ток увеличивается до 5 мА. Звукоизлучатели типа RS273-059 имеют в своем составе встроенный генератор. Если необходим более мощный сигнал тревоги, подключите несколько зуммеров параллельно или возьмите две батареи.

Печатную плату изготавливаем с размерами 3*5 см.

Тумблер test, подсоединяет 470 кОм сопротивление на вход, имитируя действие жидкости, тем самым проверяя работоспособность схемы. Транзисторы можно заменить на отечественные, типа КТ315 или КТ3102.

Автоматический датчик влажности предназначен для включения принудительной вентиляции помещения при повышенной влажности воздуха, может быть установлена на кухне, в ванной комнате, погребе, подвале, гараже. Его назначение - включить вентиляторы принудительного проветривания помещения, когда влажность в нём приближается к 95... 100 %.

Устройство отличается высокой экономичностью, надёжностью, а простота конструкции позволяет легко модифицировать его узлы под конкретные условия эксплуатации. Схема датчика влажности представлена на рисунке ниже.

Работает схема следующим образом. Когда влажность воздуха в помещении в норме, сопротивление датчика росы - газорезистора В1 не превышает 3 кОм, транзистор VT2 открыт, мощный высоковольтный полевой транзистор VT1 закрыт, первичная обмотка трансформатора Т1 обесточена. Также будет обесточена нагрузка, подключенная к разъёму ХР1.

Как только влажность воздуха приближается к точке выпадения росы, например, закипел оставленный без присмотра , ванная комната заполняется горячей водой, погреб подтапливается талыми, грунтовыми водами, отказал терморегулятор водонагревателя сопротивление газорезистора В1 резко жение переменного тока снимается с вторичной обмотки Т1 и поступает на мостовой диодный выпрямитель VD2. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются оксидным конденсатором большой ёмкости С2. Параметрический стабилизатор напряжения постоянного тока простроен на составном транзисторе VT3 с большим коэффициентом передачи тока базы типа КТ829Б, стабилитроне VD5 и балластном резисторе R6.

Конденсаторы СЗ, С4 уменьшают пульсации выходного напряжения. К выходу стабилизатора напряжения могут быть подключены вентиляторы с рабочим напряжением 12... 15В, например,«компьютерные». К гнезду ХР1 могут быть подключены вентиляторы общей мощностью до 100 Вт, рассчитанные на напряжение питания 220 В переменного тока. В разрыв цепи питания понижающего трансформатора Т1 и высоковольтной нагрузки установлен мостовой выпрямитель VD1. На сток полевого транзистора поступает пульсирующее напряжение постоянного тока. Каскад на транзисторах VT1, VT2 питается стабилизированным напряжением +11 В, заданным стабилитроном VD7. Напряжение на этот стабилитрон поступает по цепочке R2, R3, VD4, HL2. Такое схемное решение позволяет открывать полевой транзистор полностью, что значительно снижает рассейемую на нём мощность.

Транзисторы VT1, VT2 включены как триггер Шмитта, что исключает нахождение полевого транзистора в промежуточном состоянии, чем предотвращается его перегрев. Чувствительность датчика влажности задаётся подстроечным резистором R8, а при необходимости и подбором сопротивления резистора R7. Варисторы RU1 и RU2 защищают элементы устройства от повреждений всплесками напряжения сети. Светодиод HL2 зелёного цвета свечения показывает наличие напряжения питания, а красный светодиод HL1 сигнализирует о высокой влажности и включении устройства в режим принудительного проветривания помещения.

К устройству можно подключить до 8 низковольтных вентиляторов с током потребления до 0,25 А каждый и, или несколько вентиля- торов с напряжением питания 220 В. Если с помощью этого устройства будет необходимо управлять более мощной нагрузкой с напряжением питания 220 В, то к выходу стабилизатора напряжения можно подключить электромагнитные реле, например, типа G2R-14-130, контакты которого рассчитаны на коммутацию переменного тока до 10 А при напряжении 250 В. Параллельно резистору R8 можно установить терморезистор с отрицательным ТКС, сопротивлением 3,3...4,7 кОм при 25°С, размещённым, например, над газовой или электроплитой, что позволит включать вентиляцию также и при росте температуры воздуха выше 45...50 °С, когда конфорки плиты работают на полную мощность.

На месте трансформатора Т1 можно установить любой понижающий трансформатор с габаритной мощностью не менее 40 Вт, вторичная обмотка которого рассчитана на величину тока не менее тока низковольтной нагрузки. Без перемотки вторичной обмотки «Юность», «Сапфир». Также подойдут унифицированные трансформаторы ТПП40 или ТН46-127/220-50. При самостоятельном изготовлении трансформатора можно использовать Ш-образный магнитопровод сечением 8,6 см2 Первичная обмотка содержит 1330 витков провода диаметром 0,27 мм.

Вторичная обмотка 110 витков обмоточного провода диаметром 0,9 мм. Вместо транзистора КТ829Б подойдёт любой из серий КТ829, КТ827, BDW93C, 2SD1889, 2SD1414. Этот транзистор устанавливают на теплоотвод, размер которого будет зависеть от тока нагрузки и величине падения напряжения коллектор-эмиттер VT3. Желательно выбрать такой теплоотвод, с которым температура корпуса транзистора VT3 не превышала бы 60°С.

Если напряжение на обкладках конденсатора С2 при подключенной к выходу стабилизатора нагрузке будет больше 20 В, то для уменьшения рассеиваемой VT3 мощности можно отмотать от вторичной обмотки трансформатора несколько витков. Полевой транзистор IRF830 можно заменить на КП707В2, IRF422, IRF430, BUZ90A, BUZ216 . При монтаже этого транзистора необходима его защита от пробоя статическим электричеством . Вместо SS9014 можно применить любой из серий КТ315, КТ342, КТ3102, КТ645, 2SC1815. При замене биполярных транзисторов учитывайте различия в цоколёвках.

Диодные мосты KBU можно заменить на аналогичные КВР08, BR36, RS405, KBL06. Вместо 1N4006 можно использовать 1N4004 - 1N4007, КД243Г, КД247В, КД105В. Стабилитроны: 1N5352 - КС508Б, КС515А, КС215Ж; 1N4737A - КС175А, КС175Ж, 2С483Б; 1 N4741А - Д814Г, Д814Г1, 2С211Ж, КС221В.

Светодиоды могут быть любые общего применения, например, серий АЛ307, КИПД40, L-63. Оксидные конденсаторы - импортные аналоги К50-35, К50-68. Варисторы - любые малой или средней мощности на классификационное рабочее напряжение 430 В, 470 В, например, FNR-14K431, FNR-10K471. Чувствительный к влажности воздуха газорезистор ГЗР-2Б взят из старого отечественного видеомагнитофона «Электроника ВМ-12». Аналогичный газорезистор можно найти и в других неисправных отечественных и импортных видеомагнитофонах или в старых кассетных видеокамерах. Этот газорезистор обычно прикручен к металлическому шасси лентопротяжного механизма. Его назначение - блокировать работу аппарата при запотевании лентопротяжного механизма, что предотвращает заматывание и порчу магнитной ленты. Устройство можно смонтировать на печатной плате размерами 105x60 мм, Газорезистор предпочтительнее разместить в отдельной коробочке из изоляционного материала с отверстиями, устанавливаемой в месте попрохладней. Также рекомендуется прикрутить его к небольшой металлической пластине, можно через тонкую слюдяную изолирующую прокладку. Для защиты смонтированной платы от влаги, монтаж и печатные проводники покрывают несколькими слоями лака ФЛ-98, МЛ-92 или цапонлаком.

Газорезистор ничем закрашивать не надо. Для проверки устройства на работоспособность можно просто выдохнуть на газорезистор воздух из лёгких или, поднести поближе ёмкость с кипятком. Через несколько секунд вспыхнет светодиод HL1 и подключенные в качестве нагрузок вентиляторы начнут бороться с повышенной влажностью. В дежурном режиме устройство потребляет ток от сети около 3 мА, что очень немного. Поскольку устройство потребляет в дежурном режиме мощность менее 1 Вт, то его можно эксплуатировать круглосуточно, не опасаясь за расход электроэнергии. Так как устройство частично имеет гальваническую связь с напряжением сети переменного тока 220 В, то при настройке и эксплуатации устройства следует соблюдать соответствующие меры предосторожности.

В результате многочисленных экспериментов появилась вот эта схема датчика почвы на одной единственной микросхеме. Подойдёт любая из микросхем: К176ЛЕ5, К561ЛЕ5 или CD4001A.

Датчик влажности воздуха, схема и чертежи которого прилагаются, дает возможность полностью автоматизировать процесс контроля и управления относительной влажностью воздуха в любом помещении. Данная схема датчика влажности дает возможность измерять относительную влажность в диапазоне от 0–100%. При очень высокой точности и стабильности параметров

Светозвуковой сигнализатор выкипания воды. - Радио, 2004, №12, стр. 42, 43.
. - Схемотехника, 2004, №4, стр. 30-31.
Константа» в погребе. - САМ, 2005, № 5, стр. 30, 31.

 

Возможно, будет полезно почитать: