Обновлено: 02.07.2024

Датчики влажности - как устроены и работают

Прибор, которым измеряют уровень влажности, называется гигрометром или просто датчиком влажности. В повседневной жизни влажность выступает немаловажным параметром, и часто не только для самой обычной жизни, но и для различной техники, и для сельского хозяйства (влажность почвы) и много для чего еще.

В частности, от степени влажности воздуха немало зависит наше самочувствие. Особенно чувствительными к влажности являются метеозависимые люди, а также люди, страдающие гипертонической болезнью, бронхиальной астмой, заболеваниями сердечно-сосудистой системы.

При высокой сухости воздуха даже здоровые люди ощущают дискомфорт, сонливость, зуд и раздражение кожных покровов. Часто сухой воздух может спровоцировать заболевания дыхательной системы, начиная с ОРЗ и ОРВИ, и заканчивая даже пневмонией.

На предприятиях влажность воздуха способна влиять на сохранность продукции и оборудования, а в сельском хозяйстве однозначно влияние влажности почвы на плодородие и т. д. Здесь и спасает применение датчиков влажности — гигрометров.

Какие-то технические приборы изначально калибруются под строго требуемую важность, и иногда чтобы провести точную настройку прибора, важно располагать точным значением влажности в окружающей среде.

Влажность может измеряться несколькими из возможных величин:

Для определения влажности как воздуха, так и других газов, измерения проводятся в граммах на кубометр, когда речь об абсолютном значении влажности, либо в единицах RH, когда речь о влажности относительной.

Для измеряется влажности твердых тел или в жидкостях подходят измерения в процентах от массы исследуемых образцов.

Для определения влажности плохо смешиваемых жидкостей, единицами измерения будут служить ppm (сколько частей воды приходится на 1000000 частей веса образца).

По принципу действия, гигрометры делятся на:

1) Емкостной датчик влажности

Емкостные гигрометры, в самом простом случае, представляют собой конденсаторы с воздухом в качестве диэлектрика в зазоре. Известно, что у воздуха диэлектрическая проницаемость непосредственно связана с влажностью, а изменения влажности диэлектрика приводят и к изменениям в емкости воздушного конденсатора.

Более сложный вариант емкостного датчика влажности в воздушном зазоре содержит диэлектрик, с диэлектрической проницаемостью, могущей сильно меняться под влиянием на него влажности. Данный подход делает качество датчика лучше, чем просто с воздухом между обкладками конденсатора.

Безусловно, данный метод обладает и некоторыми недостатками, например при влажности образца ниже 0.5% он будет неточным, кроме того, измеряемый образец должен быть очищен от частиц, имеющих высокую диэлектрическую проницаемость, к тому же важна и форма образца в процессе измерений, она не должна изменяться в ходе исследования.

Третий тип емкостного датчика влажности - это емкостный тонкопленочный гигрометр. Он включает в себя подложку, на которую нанесены два гребенчатых электрода. Гребенчатые электроды играют в данном случае роль обкладок. С целью термокомпенсации в датчик дополнительно вводят еще и два термодатчика.

2) Резистивный датчик влажности

Такой датчик включает в себя два электрода, которые нанесены на подложку, а поверх на сами электроды нанесен слой материала, который отличается достаточно малым сопротивлением, сильно, однако, меняющимся в зависимости от влажности.

Подходящим материалом в устройстве может выступать оксид алюминия. Данный оксид хорошо поглощает из внешней среды воду, при этом удельное сопротивление его заметно изменяется. В результате общее сопротивление цепи измерения такого датчика будет значительно зависеть от влажности. Так, об уровне влажности станет свидетельствовать величина протекающего тока. Достоинство датчиков такого типа - малая их цена.

3) Термисторный датчик влажности

Термисторный гигрометр состоит из пары одинаковых термисторов. К слову напомним, что термистор — это нелинейный электронный компонент, сопротивление которого сильно зависит от его температуры.

Один из включенных в схему термисторов размещают в герметичной камере с сухим воздухом. А другой - в камере с отверстиями, через которые в нее поступает воздух с характерной влажностью, значение которой требуется измерить. Термисторы соединяют по мостовой схеме, на одну из диагоналей моста подается напряжение, а с другой диагонали считывают показания.

В случае, когда напряжение на выходных клеммах равно нулю, температуры обоих компонентов равны, следовательно одинакова и влажность. В случае, когда на выходе будет получено не нулевое напряжение, то это свидетельствует о наличии разности влажностей в камерах. Так, по значению полученного при измерениях напряжения определяют влажность.

У неискушенного исследователя может возникнуть справедливый вопрос, почему же температура термистора меняется при его взаимодействии с влажным воздухом? А дело все в том, что при увеличении влажности, с корпуса термистора начинает испаряться вода, при этом температура корпуса уменьшается, и чем выше влажность, тем более интенсивно происходит испарение, и тем стремительнее остывает термистор.

4) Оптический (конденсационный) датчик влажности

Так, если взять стекло, и установит в газообразной среде, где температура в момент исследования выше точки росы, а затем начать процесс охлаждения данного стекла, то при конкретном значении температуры на поверхности стекла начнет образовываться водяной конденсат, это водяной пар станет переходить в жидкую фазу. Данная температура и будет как раз точкой росы.

Так вот, температура точки росы неразрывно связана и зависит от таких параметров как влажность и давление в окружающей среде. В результате, имея возможность измерения давления и температуры точки росы, получится легко определить и влажность. Этот принцип служит основой для функционирования оптических датчиков влажности.

Простейшая схема такого датчика состоит из светодиода, светящего на зеркальную поверхность. Зеркало же отражает свет, меняя его направление, и направляя на фотодетектор.

В данном случае зеркало можно подогревать или охлаждать посредством специального устройства регулирования температуры высокой точности. Часто таким устройством выступает термоэлектрический насос. Конечно же, на зеркало устанавливают датчик для измерения температуры.

Прежде чем начать измерения, температуру зеркала выставляют на значение, которое заведомо выше температуры точки росы. Дальше осуществляют постепенное охлаждение зеркала.

В момент, когда температура начнет пересекать точку росы, на поверхности зеркала тут же начнут конденсироваться капли воды, и световой луч от диода приломится из-за них, рассеется, а это приведет к уменьшению тока в цепи фотодетектора. Через обратную связь фотодетектор взаимодействует с регулятором температуры зеркала.

Так, опираясь на информацию, полученную в форме сигналов от фотодетектора, регулятор температуры станет удерживать температуру на поверхности зеркала точно равной точке росы, а термодатчик соответственно покажет температуру. Так, при известных давлении и температуре можно точно определить основные показатели влажности.

Оптический датчик влажности обладает самой высокой точностью, недостижимой другими типами датчиков, плюс отсутствие гистерезиса. Недостаток — самая высокая цена из всех, плюс большое потребление электроэнергии. К тому же необходимо следить за тем, чтобы зеркало было чистым.

5) Гигрометр электронный

Принцип работы электронного датчика влажности воздуха основан на изменении концентрации электролита, покрывающего собой любой электроизоляционный материал. Существуют такие приборы с автоматическим подогревом с привязкой к точке росы.

Часто точка росы измеряется над концентрированным раствором хлорида лития, который является очень чувствительным к минимальным изменениям влажности. Для максимального удобства такой гигрометр зачастую дополнительно оборудуют термометром.

Этот прибор обладает высокой точностью и малой погрешностью. Он способен измерять влажность независимо от температуры окружающей среды.

Популярны и простые электронные гигрометры в форме двух электродов, которые просто втыкаются в почву, контролируя ее влажность по степени проводимости в зависимости от этой самой влажности. Такие сенсоры популярны у поклонников Ардуино, поскольку можно легко настроить автоматический полив грядки или цветка в горшке, на случай если поливать в ручную некогда или не удобно.

Прежде чем купить датчик, подумайте, что вам нужно будет измерять, относительную или абсолютную влажность, воздуха или почвы, каков предвидится диапазон измерений, важен ли гистерезис, и какая нужна точность. Самый точный датчик — оптический. Обратите внимание на класс защиты IP, на диапазон рабочих температур, в зависимости от конкретных условий, где будет использоваться датчик, подойдут ли вам параметры.

Для растений у Xiaomi есть классный девайс - Smart Flower Monitor (анализатор минерализации и влажности почвы, температуры воздуха, освещенности). Интегрировал пару таких датчиков в Home Assistant, теперь цветы жене уведомления в Телеграм шлют, когда их пора поливать :-)

Михаил Тихончук

В состав большинства неметаллических промышленных изделий и сельскохозяйственных продуктов входит влага, определяющая их технологические и потребительские свойства. Полное отсутствие влаги и ее избыток ухудшают физико-химические и физико-механические свойства большинства материалов, в то время как оптимальное ее содержание обеспечивает их высокое качество. Поэтому влажность материалов является одним из важнейших качественных показателей продукции и строго регламентируется государственными стандартами.

Содержание влаги в материале характеризуется чаще всего или влагосодержанием, или влажностью. Влагосодержание — это отношение количества влаги в материале к количеству абсолютно сухого вещества. Влажность — это отношение количества влаги в материале ко всему количеству материала (сухому веществу вместе с влагой). Влагосодержание и влажность материалов могут быть выражены в виде отношения весовых или объемных величин. Поэтому приходится различать весовое или объемное влагосодержание, весовую или объемную влажность. Они выражаются следующим образом:
Весовое влагосодержание материала:
(1)
где q_В —-вес содержащейся в пробе воды; q_c— вес абсолютно сухого вещества.
Объемное влагосодержание материала:
(2)
где V_B— объем воды, содержащейся в пробе; V_C— объем абсолютно сухого вещества.
Весовая влажность материала:
(3)
где q — полный вес пробы материала.
Объемная влажность материала:
(4)
где V — полный объем пробы материала.

Применение тех или иных величин для характеристики содержания влаги в материале зависит только от удобства и в некоторой степени от установившейся практики. Для всей группы твердых материалов чаще всего пользуются весовой процентной влажностью, вычисленной по формуле (3).

Это обусловлено наиболее распространенной методикой определения влажности твердых тел высушиванием и вычислением влажности по потере веса при высушивании, а также наибольшей наглядностью этой величины.

Пользуясь формулами (1), (2) и выражая влагосодержание материала в процентах, можно получить численное значение влагосодержания, превышающее 100%. Связь между количеством влаги в материале и выражением этого количества в величинах влажности и влагосодержания в процентах и относительных величинах приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость между количеством влаги в материале и числовыми значениями: 1 - W (%); 2 - U ; 3 – U (%)

1.2 Формы связи влаги с материалом
При определении и оценке содержания влаги в контролируемых материалах необходимо учитывать сложные и разнообразные формы связи влаги с материалом, а также способность материалов поглощать или отдавать влагу.

Связи подразделяют на химические, физико-химические и физико-механические.

К химическим связям относятся наиболее сильные связи — ионная и молекулярная, при которой молекулы воды не существуют самостоятельно, а входят в состав молекул самого вещества и химически с ними связаны.

К физико-химическим связям относятся адсорбционная и осмотическая связи.

Наибольшей сложностью отличаются формы связи влаги с твердыми материалами. У всех твердых материалов имеются поры и капилляры, удерживающие в себе влагу. Причем эта влага может состоять из твердых вкраплений, жидкой фазы и, частично, пара, заполняющего некоторый объем пор и капилляров.

2 Основные методы определения влаги в твёрдых материалах
2.1 Метод высушивания
Сущность метода заключается в высушивании пробы, удалении из нее несвязанной влаги и вычислении процентной влажности по потере веса. Метод высушивания получил наибольшее распространение среди всех остальных методов определения влажности твердых сыпучих тел, дробленых, порошкообразных, листовых, пленочных материалов. Поскольку проба может быть взвешена до и после сушки с высокой точностью (некоторые стандарты предусматривают это взвешивание с точностью до 0,0001 г), метод сушки является одним из наиболее точных, и поэтому его широкое применение в стандартах не случайно. Однако, применяя метод высушивания пробы, следует иметь в виду, что многие твердые материалы могут содержать летучие вещества, потеря которых в процессе удаления влаги может исказить представление о действительной влажности материалов. Поэтому каждым стандартом на каждый конкретный материал регламентируется режим сушки, метод высушивания, применяемые сушильные устройства, продолжительность сушки и, температура, при которой должен высушиваться данный материал.

Процентную влажность исследованного материала вычисляют по формуле:
(5)
где (g₁-g₂) – вес, содержащейся в пробе влаги; (g₁-g₀) – чистый вес первоначально взятой навески.
Если проба взвешивается и высушивается без тары, то в формуле (5) достаточно считать g₀, равным нулю, тогда эта формула примет вид:
(6)
где g₁ – вес взятой для исследования пробы (навески); g₂ – вес высушенной пробы.

2.2 Метод прямого весового определения
Сущность метода заключается в нагревании навески (пробы) материала в атмосфере хорошо осушенного инертного газа, чаще всего азота, улавливании выделяющихся паров воды энергичными поглотителями и определении влажности материала по весу выделившейся и поглощенной влаги (увеличению веса поглотителей).

Влажность материала методом прямого весового определения находят на установке, схема которой приведена на рисунке 2.

Азот из баллона 1 через редукционный вентиль 2 и маностат 3 подается в осушительную (обезвоживающую) систему, состоящую из цилиндра-колонки 4, заполненной хлорнокислым магнием, и двух параллельных ветвей с включенными в них контрольными U-образными трубками 5, также заполненными хлорно-кислым магнием, по привесу которых можно судить о степени осушки газа. За каждой U-образной трубкой устанавливают по одному реометру 7 с краниками 6, контролирующему расход газа, поступающего в сушильный шкаф 12 с установленными в нем пробами исследуемого материала.

Очевидно, что сумма g₁ + g₂ представляет собой вес всей удаленной из материала влаги, который определился прямым ее взвешиванием. Это и обусловливает само наименование метода, как прямого весового метода определения влаги.

Объемное определение влаги производится аппаратом для количественного определения содержания воды в нефтяных, пищевых и других продуктах (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Аппарат для количественного определения воды: 1 - колба; 2 - приёмник-ловушка; 3 – холодильник
В колбу 1 помещается подлежащая исследованию, предварительно взвешенная проба и добавляется необходимое количество толуола. При этом влага, содержащаяся в материале, смешивается с толуолом, при перегонке конденсируется в холодильнике 3 и собирается в приемнике-ловушке 2. Пос­ле кратковременного отстоя вся отогнанная влага собирается в нижней, градуированной части приемника-ловушки.
Процентное содержание влаги в исследуемом материале вычисляется по формуле:
(8)
где V — объем выделившейся воды, мл; g — навеска материала, г.
Поскольку при определении влажности измеряется объем содержащейся в пробе влаги, метод называется методом прямого объемного определения содержания влаги.
2.4 Метод переноса влаги во вспомогательную среду
В ряде случаев удаление влаги из материала высушиванием недопустимо или нецелесообразно (если материал не допускает нагревания или если влага не может быть удалена нагреванием). Содержание влаги может определяться методом перегонки с какой-либо несмешивающейся с водой вспомогательной средой, имеющей низкою температуру кипения.

При этом существует две разновидности метода.

В первом случае контролируемый материал не растворяется в выбранной вспомогательной среде, и после перегонки вода отделяется в сборнике и отсчитывается ее объем.

Во втором случае контролируемый материал полностью растворяется в выбранной вспомогательной среде — в данном случае хорошем растворителе, выделяя содержащуюся в нем влагу. После перегонки влага отделяется. Такой метод используется для материалов, содержащих влагу во внутренних, замкнутых порах и капиллярах, из которых вода не может быть удалена нагреванием, или материалов с высокой температурой кипения.
2.5 Газовый метод определения
Метод прямого объемного определения воды перегонкой не отличается большой точностью, поэтому стандарты устанавливают количественный метод определения малого содержания воды. Он основан на взаимодействии гидрида кальция с водой, содержащейся в контролируемом нефтепродукте, и измерении объема выделившегося при этом водорода. Содержание воды вычисляется по объему выделившегося водорода.

Гидрид кальция — СаН₂, взаимодействуя с водой, образует гидрат окиси кальция с выделением свободного газообразного водорода. Реакция протекает по уравнению:
(8)
Этот метод отличается большой чувствительностью, что можно подтвердить при расчете приведенной реакции по молекулярным весам участвующих в реакции веществ:
;
;
;
,
отсюда: .
Как видно по приведенному уравнению, 36 г воды, вступая во взаимодействие с гидридом кальция, выделяют 4 г водорода, или 1 г воды выделяет 0,11 г водорода.

Но 1 г воды занимает объем 1 см 3 , а 0,11 г водорода — 1240 см 3 (при нормальных условиях 1 л водорода весит 0,089 г).

Таким образом, гидрид кальция как бы резко увеличивает (в 1240 раз) объем воды, содержащейся в контролируемом нефтепродукте.

Если учесть, что цена деления газовой бюретки для улавливания водорода составляет 0,05 мл (см 3 ), то можно установить, что этому объему соответствует 0,00004 г воды. Отнеся её к навеске пробы (100 г), устанавливаем, что этот метод позволяет обнаруживать воду в количестве 0,00004%.

Практически достижимая точность определения воды, узаконенная стандартами — до 0,005 ±0,001 или до 0,005 ±0,0002%.
2.6 Измерение влажности материалов электровлагомерами
Достижения современного приборостроения позволили разработать удобные приборы для автоматического определения влажности каменного угля от 5 до 18%.

Такими являются приборы ЭВ-2К и ему подобные.

Электронный влагомер типа ЭВ-2К (Рисунок 4) — используется для определения влажности древесины при температуре 20 Cº. Погрешность прибора составляет (2…3)%.

Датчик для измерения влажности стружки представляет собой разъёмный стакан, в котором между двумя дисковыми электродами с помощью пресса уплотняется навеска материала. С помощью этих электродов измеряется электрическое сопротивление уплотнённого материала – стружки.

Рисунок 4 – Электровлагомер ЭВ-2К: 1 – электронное измерительное устройство; 2 – датчик

Заключение
Со временем многие методы лабораторного определения влажности, предусмотренные стандартами, будут заменены методами экспрессного определения влажности с помощью влагомеров. Повсеместное применение лабораторных и промышленных влагомеров ставит на повестку дня вопрос об их метрологическом обслуживании органами государственного надзора за состоянием измерительной техники.

Это обслуживание с регулярной поверкой и аттестацией рабочих приборов будет осуществляться на основе специальных поверочных схем, разработанных в последнее время.

Список использованных источников
1. Мелкумян В.Е. Измерение и контроль влажности материалов. – М.: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при совете министров СССР, 1970. – 138 с.

2. СТО 4.2–07–2014 Система менеджмента качества. Общие требования к построению, изложению и оформлению документов учебной деятельности. – Введ. 09.01.2014. – Красноярск : ИПК СФУ, 2014. – 60 с.

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым компонентом для всех живых существ: людей и животных. Комфортность окружающих условий определяется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и температурой. Вы можете себя чувствовать вполне комфортно при температуре -30 °С в Сибири, где зимой воздух обычно очень сухой, но Вам будет совсем неуютно при температуре 0 °С в Кливленде, расположенном на берегу озера, где очень влажно.

Содержание

Введение………………………………………………………………………. …3
1.Обзор отрасли………………………………………………………………. …4
2.Выбор наиболее приемлемого решения……………………………………. 12
3. Обзор технического решения с приведением технических данных и реализация на готовых компонентах……………………………………. …. 14
3.1 Описание и применение гигрометров……………………………………. 14
3.2 Принцип действия. Схема конструкции…………………………………. 17
4.Симулин модель……………………………………………………………….20
5.Анализ внешних и внутренних негативных факторов……………………. 24
Заключение…………………………………………………………………….…27
Список литературы………………………………………………………………28

Вложенные файлы: 1 файл

Gotovyy_kursach_po_Gudkovu.doc

Министерство образования и науки рф

Пензенская Государственная Технологическая Академия

Кафедра Информационных технологий и систем

Дисциплина Основы функционирования систем сервиса

тема курсового проекта

Выполнила: студентка группы

Руководитель: старший преподаватель

Работа защищена с оценкой:____________________ _

2.Выбор наиболее приемлемого решения…………………………… ………. 12

3. Обзор технического решения с приведением технических данных и реализация на готовых компонентах……………………………………. …. ..14

3.1 Описание и применение гигрометров……………………………………. 14

3.2 Принцип действия. Схема конструкции………………………………… . 17

5.Анализ внешних и внутренних негативных факторов……………………. 24

Вода входит в состав окружающего воздуха и является необходимым компонентом для всех живых существ: людей и животных. Комфортность окружающих условий определяется, в основном, двумя факторами: относительной влажностью и температурой. Вы можете себя чувствовать вполне комфортно при температуре -30 °С в Сибири, где зимой воздух обычно очень сухой, но Вам будет совсем неуютно при температуре 0 °С в Кливленде, расположенном на берегу озера, где очень влажно. (Естественно, что здесь учитываются только климатические факторы и не рассматриваются экономические, культурные и политические). Работа многих также сильно зависит от уровня влажности. Как правило, все характеристики приборов определяются при относительной влажности 50% и температуре 20–25 °С. Рекомендуется поддерживать такие же условия и в рабочих помещениях, правда, здесь существуют исключения: например, в производственных комнатах Класса А влажность должна быть 38%, а в больничных операционных – 60%. Влага входит в состав большинства выпускаемых изделий и материалов. Можно сказать, что большую часть валового национального продукта любой страны составляет вода.

Для измерения влажности используются приборы, называемые датчиками влажности.

Для количественного определения влажности и содержания воды применяются разные единицы. Влажность газов в системе СИ иногда выражается как количество паров воды в одном кубическом метре (г/м3). Содержание воды в жидкостях и твердых телах обычно задается в процентах от общей массы. Содержание воды в плохо смешиваемых жидкостях определяется как количество частей воды на миллион частей веса (ррт).

Среди приборов для измерения влажности наиболее массовыми являются приборы для определения содержания воды в газах – гигрометры. Для измерения влажности твердых и сыпучих тел чаще всего используются те же гигрометры, только процесс подготовки пробы к анализу включает в себя перевод влаги в газовую фазу, которая затем и анализируется. Существуют в принципе методы непосредственного измерения содержания влаги в жидкостях и в твердых телах, например, методом ядерного магнитного резонанса. Приборы, построенные на таком принципе, достаточно сложны, дороги и требуют высокой квалификации оператора.

Гигрометры как самостоятельные приборы являются одними из самых востребованных измерительных приборов, поскольку с давних времен в них нуждались метеорологи. По изменению влажности, также как по изменению давления и температуры, можно предсказывать погоду, можно контролировать комфортность жизнеобеспечения в помещениях, контролировать различного рода технологические процессы. Например, контроль влажности на электростанциях, на телефонных станциях, на полиграфическом производстве и т.д. и т.п. является определяющим в обеспечении нормального режима функционирования.

Востребованность гигрометров породила разработки и изготовление большого количества различных типов приборов. Большинство измерителей влажности представляют собой датчики влажности с индикатором либо аналогового сигнала, либо сигнала в цифровой форме. Поскольку индикаторами являются в большинстве своем либо механические устройства, либо электроизмерительные приборы, рассмотренные в предыдущих разделах, остановимся на датчиках влажности, определяющих почти все функциональные возможности гигрометров.

Датчики гигрометров можно классифицировать по принципу действия на следующие типы:

• волосяные датчики, в которых используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности;
• емкостные датчики, в которых при изменении влажности изменяется электрическая емкость конденсатора с гигроскопичным диэлектриком;
• резистивные датчики, в которых изменяется сопротивление проводника, на поверхность которого нанесен гигроскопический слой;
• пьезосорбционные датчики, в которых влага, поглощенная гигроскопическим покрытием, изменяет собственную частоту колебаний пьезокристалла, на поверхность которого нанесен гигроскопичный слой;
• датчик температуры точки росы, в котором фиксируется температура, соответствующая переходу зеркального отражения металлической поверхностью в диффузное;
• оптический абсорбционный датчик, в котором регистрируется доля поглощенной энергии света в полосах поглощения парами воды электромагнитного излучения.

Наиболее древний, наиболее простой и наиболее дешевый датчик влажности представляет собой обычный волос, натянутый между двумя пружинами. Для измерения влажности используется свойство волоса изменять длину при изменении влажности. Несмотря на кажущуюся примитивность такого датчика и на то, что процесс, лежащий в основе измерения, не определяется законами физики и поэтому не поддается расчету, гигрометры с волосяными датчиками изготавливаются в большом количестве.

Емкостные датчики влажности в настоящее время по массовости использования конкурируют и даже превосходят волосяные, поскольку по простоте и дешевизне они не уступают волосяным. Измеряемой физической величиной является емкость конденсатора, а это означает, что в качестве индикатора или выходного устройства может использоваться любой измеритель емкости. На подложку из кварца наносится тонкий слой алюминия, являющийся одной из обкладок конденсатора.

На поверхности алюминиевого покрытия образуется тонкая пленка окиси Al₂O₃. На окисленную поверхность наносится напылением второй электрод из металла, свободно пропускающего пары воды. Такими материалами могут быть тонкие пленки палладия, родия или платины. Внешний пористый электрод является второй обкладкой конденсатора.

Конструкция резистивного датчика влажности представляет собой меандр из двух не соприкасающихся электродов, на поверхность которого нанесен тонкий слой гигроскопического диэлектрика. Последний, сорбируя влагу из окружающей среды, изменяет сопротивление промежутков между электродами меандра. О влажности судят по изменению сопротивления или проводимости такого элемента.

В последнее время появились гигрометры, в основу работы которых положен фундаментальный физический закон поглощения электромагнитного излучения – закон Ламберта-Бугера-Бера. Согласно этому закону через слои поглощающего или рассеивающего вещества проходит электромагнитное излучение интенсивностью I_λ, равное:

Пары воды имеют интенсивные полосы поглощения в инфракрасной области спектра и в области длин волн от 185 нм до 110 нм – в так называемой вакуумной ультрафиолетовой области. Имеются отдельные разработки по созданию инфракрасных и ультрафиолетовых оптических влагомеров, и все они имеют одно общее положительное качество – это влагомеры мгновенного действия. Под этим понимается рекордно быстрое установление аналитического сигнала для пробы, помещенной между источником света и фотоприемником. Другие особенности оптических датчиков определяются тем, что в инфракрасной области поглощение молекулами воды соответствует вращательно-колебательным степеням свободы. Это означает, что вероятности переходов, и, соответственно, сечения поглощения в законе Ламберта-Бугера-Бера зависят от температуры объекта. В вакуумной ультрафиолетовой области сечение поглощения от температуры не зависит. По этой причине ультрафиолетовые датчики влажности являются более предпочтительными, но инфракрасная техника, которая используется в ИК датчиках влажности, намного долговечнее и проще в эксплуатации, чем ВУФ техника.

Резонансная водородная лампа с окном из фтористого магния располагается на расстоянии в несколько миллиметров от фотоэлемента с катодом из никеля. Никелевый фотоэлемент имеет длинноволновую границу чувствительности -190 нм. Окна из фтористого магния имеют коротковолновую границу прозрачности 110 нм. В этом диапазоне длин волн (от 190 до 110 нм) в спектре водородной лампы присутствует только резонансное излучение 121,6 нм, которое и используется для измерения абсолютной влажности без какой-либо монохроматизации.

У оптического датчика, схема которого изображена на рис. 4 есть еще одна особенность – возможность изменять чувствительность изменением расстояния от лампы до фотоприемника. В самом деле, с увеличением расстояния наклон характеристики dU/dN выходного сигнала от концентрации прямо пропорционален величине зазора между лампой и фотодиодом.

Важным качеством оптического датчика является следствие из закона Ламберта-Бугера-Бера, состоящее в том, что такой датчик нужно калибровать только в одной точке. Если, например, определить сигнал с прибора при какой-либо одной определенной концентрации паров воды, то отградуировать шкалу прибора можно расчетным путем на том основании, что изменение логарифма сигналов при различных концентрациях равно:

где N – концентрация (число) молекул в единице объема; δ_λ – сечение поглощения, I – длина поглощающего промежутка.

Известно, что в молекуле существуют два основных вида колебаний — валентные и деформационные. Колебания, в условиях которых атомы остаются на осях валентной связи, а расстояния между атомами периодически изменяются, называют валентными. Под деформационными понимают колебания, в условиях которых атомы отходят от оси валентных связей. Поскольку энергия деформационных колебаний значительно меньше энергии валентных колебаний, то деформационные колебания наблюдаются при больших длинах волн.

Валентные и деформационные колебания создают основные, обладающие наибольшей интенсивностью полосы поглощения, а также обертонные полосы, имеющие частоты, кратные основной. Интенсивность обертонных полос поглощения меньше интенсивности основных.

Разграничение спектров по характеру поглощения совпадает с энергетическим делением инфракрасной (ИК) области излучений на ближнюю область, соответствующую области обертонов, и среднюю, соответствующую области основных колебаний.

Главной особенностью ИК-спектров является то, что поглощение излучения зависит не только от молекулы в целом, но и от отдельных групп присутствующих в этой молекуле атомов. Это положение является основополагающим для ИК спектрального анализа вещественного состава и определения количеств тех или иных групп атомов, присутствующих в исследуемом материале.

Поулчают и исследуют ИК-спектры с помощью специальных приборов — спектрометров или спектрофотометров, в которых излучение источника направляется на исследуемый образец через монохроматор, выделяющий из интегрального пучка излучений монохроматическое излучение той или иной длины волны.

Излучение, прошедшее через контролируемый материал, улавливается приемником, а сигнал, формируемый приемником, усиливается и обрабатывается электронным блоком. Обычно в видимой и ближней ИК-областях источниками излучения служат лампы накаливания, а приемниками — фоторезисторы, например PbS, GaS, InSb и т.п. В средней и дальней ИК-областях источниками излучений могут быть накапливаемые керамические стержни, а приемниками - термопары, болометры и т.п.

Для определения относительной и абсолютной влажности на практике часто используются приборы, получившие название психрометров. Психрометры представляют собой два одинаковых термометра, один из которых обернут фитилем и смачивается водой. Мокрый термометр показывает температуру ниже, чем сухой термометр в том случае, если относительная влажность не равна 100%. Чем ниже относительная влажность, тем больше разность показаний сухого и мокрого термометров. Для психрометров различных конструкций составляются так называемые психрометрические таблицы, по которым находятся характеристики влажности.

Психрометр не очень удобен в эксплуатации, поскольку его показания не просто автоматизировать, и требуется постоянное увлажнение фитиля. Тем не менее именно психрометр является самым простым и вместе с тем достаточно точным и надежным средством измерения влажности. Именно по психрометру чаще всего градуируются гигрометры с волосяными, емкостными или резистивными датчиками.

Нередко люди плохо переносят сухой воздух в помещении, поэтому зачастую очень важно контролировать уровень влажности в помещении и не только для заботы о людях. Из-за чрезмерной сухости может случиться пересыхание слизистой оболочки глаз. Также могут пострадать растения и мебель. Но уровень влажности можно контролировать, а для этого существуют специальные приборы — гигрометры. Или датчики влажности. В вашем доме такой датчик поможет поддерживать микроклимат, а на производстве — улучшить точность технологических процессов.

Виды и работа

Гигрометры — изобретены уже давно. Ранние механические приборы работали за счет растяжения человеческого волоса, обычно женского. Теперь линейка таких приборов, как датчики влажности, значительно расширилась.

Вообще есть семь типов измерителей влажности, которые различаются между собой конструкцией и принципом работы:

1. Емкостные.
2. Резистивные.
3. Термисторные или психометрические.
4. Оптические.
5. Электронные.
6. Цифровые.
7. Механические.

Емкостной датчик влажности

Влагомеры емкостные, если упростить, это конденсатор, в котором в качестве диэлектрика выступает воздух. А воздух должен иметь увлажнённость, которая обладает диэлектрической проницаемостью.

Теперь, если уровень влаги воздуха изменяется — меняется и ёмкость воздушного конденсатора.

Другой вариант — наличие емкостного измерителя увлажненности. Вместо простого воздуха содержится диэлектрик, проницаемость которого находится в прямой зависимости от увлажненной атмосферы. При таком подходе качество и точность замеров улучшается.

Второй вариант прекрасно подходит для замеров нахождения воды в твердых материях. Для получения результата образец для замеров располагается между пластинами такового конденсатора. Его подключают к электронному генератору колебаний. Производится замер частоты колебаний контура. После замеров вычисляется емкость образца, которая находится в прямой зависимости от увлажненности.

Недостатков у данного способа много:

• влажность образца не должна быть ниже 0.5 %;
• сам образец тщательно очищается от посторонних примесей;
• влияет и форма подопытного элемента — она ни в коем случае не должна меняется в процессе замера.

Еще одна разновидность емкостного влагомера — тонкопленочный. Состоит из подложки с двумя гребенчатыми электродами. Они заменяют собой традиционные обкладки. Подложка — гигроскопичная полимерная пленка. Для повышения точности измерений в состав гигрометра включена и пара термодатчиков.

• компактность.
• независимость от внешней температуры;
• устойчивость к высоким температурам и химическим испарениям;
• быстродействие;
• линейность шкалы измерений 0–80 %.

Применяется для замеров в средствах автоматизированного контроля относительной влаги атмосферы.

Резистивный датчик влажности

Резистивные влагомеры — конструкция из пары электродов нанесённых на подложку из электропроводящего полимера. Сверху покрывается слоем токопроводящего материала. Очень чувствительным материалом оказался оксид алюминия.

Когда он поглощает атмосферную влагу, его сопротивление начинает изменяться. Иными словами, сопротивление гигрометра находится в прямой зависимости от влажности.

Основной принцип работы состоит в замерах изменения электрического сопротивления в гигроскопичной среде. Величина проходящего тока на данный момент времени показывает значение влажности.

Такие датчики результативны и обладают невысокой стоимостью.

1. Детекторы обладают малым временем отклика на изменение показателя влажности от 11 до 35 секунд.
2. К тому же работают в достаточно широком температурном диапазоне от −40о до + 100о.
3. Небольшие размеры и невысокая стоимость.
4. Широко используются в офисных системах климат контроля и метеорологическом оборудовании.

К минусам данного датчика можно отнести

1. Небольшой срок службы — до 5 лет.
2. Большую чувствительность к химическим и масляным испарениям. Химические пары могут вывести прибор из строя досрочно.
3. Непроизвольный сдвиг показания датчика при работе в конденсате.
4. Зависимы от очень высоких температур измерений (более 10 F).

Термисторный датчик влажности

Эти влагомеры состоят из двух одинаковых термисторов. Они обладают большим значением температурного коэффициента сопротивления.

Система работает следующим образом.

Один из двух термисторов находится в воздухонепроницаемой камере, в которой сухой воздух. Второй тоже в камере, но с прорезями, через которые проходит атмосфера помещения, влажность которой предстоит определить.

Термисторы объединяются между собой по мостовому типу. На одну сторону моста поступает напряжение. Температура токопроводящего материала и сопротивление при прохождении тока находятся в прямой зависимости. С другой диагонали — считываются показания разности контрольного и рабочего термистора.

Понятно, что если в обеих камерах на выходе напряжение нулевое, а температуры одинаковы, то и влажность в контрольной и рабочей камере одинаковы. Если напряжение не равно нолю, значит и влагосодержание в этих двух камерах разное. Из этой разности и высчитывается текущая влажность воздуха в данный момент.

Классический датчик относительной влажности — психрометр. Состоит из пары термометров: сухого и увлажненного. Из разности их показаний довольно с большой точностью можно определить влагосодержание воздуха.

Оптические измерители влажности

В этом измерителе влагосодержание определяется на основании эффекта точки росы.

Напомним: Точка росы — это температура выпадения конденсата (влаги) из окружающего воздуха.

Если стеклышко расположить в газообразное окружение, когда температура в момент замера выше точки росы, и потом постепенно охлаждать, то на стеклянной поверхности образуется водяной конденсат.

Теперь остается собрать датчик. Он будет состоять из светодиода, пропускающего свет на зеркальную площадку. Температуру зеркальца плавно можно изменять — подогреть или охладить при помощи специального механизма регулирующего температуру. На зеркальную площадку устанавливается температурный измеритель.

Для определения увлажненности, перед началом измерений температура зеркальца выдерживается выше точки росы. Зеркальце остужается — выступает конденсат. Поток света из светодиода, попадая в эту среду, несомненно, будет преломляться и рассыпаться, что приведет к понижению тока в принимающем фотодетекторе.

Обладая данными о давлении и температуре — вычисляется увлажнённость.

За счет того что нет прямого электрического контакта в системе датчика, им можно определять состояние взрывоопасных газов

Также можно, на основе этого принципа, собрать высокоточный прибор, который может одновременно замерить и концентрацию газов, и их количество.

Оптический влагомер обладает максимальной точностью измерений, если сравнивать другие датчики.

Но надо учитывать его повышенную стоимость и необходимость поддерживать поверхность зеркала идеально чистой.

Гигрометр электронный

Электронный датчик влажности работает за счёт изменения концентрации электролита, нанесенного тонким слоем на электроизоляционный материал.

Такие приборы дополняются термометром и способны делать замеры влажности с достаточно высокой точностью. Работают вне зависимости от наружной температуры.

Для измерения влажности почвы популярны датчики в виде 2-ух электродов, каковые надо попросту воткнуть в почву. Зная уровень ее влажности можно оборудовать систему автоматического контроля и полива растений.

На рынке существует много разновидностей электронных влагомеров для замеров влажности, как воздуха, так и почвы. С любым шагом диапазона измерений и любого класса точности.

Цифровые

Устройства, как правило, снабжены дисплеем, на который выводятся измеренные, либо рассчитанные параметры. Эту опцию можно переключать или настроить под свои предпочтения.

Работают на базе микропроцессоров. Это дает абсолютную погрешность в измерениях ± 2 % при спектре относительной влажности 10–90 %.

Обновленные версии оборудуются портом microUSB. Это даёт пользователю возможность подключить датчик к ноутбуку стандартным USB — кабелем и с помощью программы Galltec USB Config настроить и откалибровать устройство.

Также теперь с их помощью появилась возможность одновременно подключить несколько датчиков на одной линии, контролировать показатели влажности сразу на большой площади.

Возможности и что они могут:

1. Есть настраиваемый диапазон преобразования цифрового в аналоговый.
2. Настроить единицу измерения температуры 0 °C или 0 F.
3. Настроить диапазон замеров атмосферного давления 600–1070 гПа.
4. Менять питание датчика. В сервисном режиме датчик может работать от порта USB.
5. Могут работать с микроконтроллерами в длиннопроводной линии.
6. Помехоустойчивы.
7. Просты в эксплуатации.

Цифровые датчики выпускаются промышленно и в разных ценовых категориях. Могут стоить и 2 $ и 150 $. Такой большой разброс цен вполне объясним. Дешевые и дорогие цифровые датчики различаются по:

• классу точности;
• быстродействию;
• возможностью повторного измерения;
• стабильностью работы;
• возможностью работы в разных климатических условиях;
• устойчивостью к внешнему климатическому воздействию.

Из таблицы хорошо видно, в каких областях применяются такие датчики:

Особенности механических гигрометров

Несмотря на простоту устройств, их неоспоримое преимущество — наглядность. Из-за простоты конструкции обладают невысокой стоимостью.

Шкала предельно проста и наглядна. Контролировать атмосферу в помещении можно просто по цвету зоны, в которой находится стрелка. Датчики влажности воздуха им не нужны.

У них нет никаких дополнительных функций — замеряют только относительную влажность окружающей среды.

Поскольку устройства механические, им не нужно дополнительного источника питания.

Конечно, точность таких моделей невысокая, с погрешностью в 5–8 %. Но для домашних измерений влажности в комнате больше и не требуется.

Стационарно крепятся на стену, на равноудаленном расстоянии от входной двери и от окна.

Очень чувствительны к перепадам температуры и не переносят резких ударов и падений с высоты.

Есть модификации влагомеров допустимых к использованию в банях и саунах, где температура воздуха больше 1000 °С.

Увлажнитель воздуха с датчиком влажности

В продаже можно найти кондиционеры с датчиком и увлажнителем воздуха. Но они дорого стоят и их ставят преимущественно организации в помещениях, где показатель влажности должен поддерживаться на определенном уровне. Такими системами оборудованы специальные комнаты, например, сервера.

Для бытового применения больше подходит увлажнитель воздуха с датчиком влажности. Чаще всего устанавливается емкостной или электронный.

Работает в автоматическом режиме — увлажнитель начинает действовать при достижении минимального порога влажности.

Наиболее удобны в применении холодные увлажнители. Работают следующим образом. Вентилятор прогоняет воздух через увлажнительный картридж, который распыляется в помещении с помощью специальной насадки. Электронный датчик влажности сигнализирует прибору о том, когда нужно включить режим распыления.

Где купить

Заключение

Датчики влажности приобрели большую популярность и применяются во многих сферах:

Читайте также:

  
• Реферат американский вариант английского языка
  
• Конвенция о всемирном культурном и природном наследии реферат
  
• Место и роль образования в системе социализации личности реферат
  
• Допуск российских перевозчиков к осуществлению международных автомобильных перевозок реферат
  
• Наблюдение за беременной в женской консультации реферат