Как сделать датчик влажности воздуха
Датчик влажности и температуры своими руками
Для поддержания нормальных условий жизнедеятельности человека или животных, а также при организации производства, важно обеспечить правильный микроклимат. Одна из важных составляющих – правильная влажность. Причем этот показатель измеряется как в воздушной среде, так и в почве. Кроме того, при организации производства или строительства, необходимо знать остаточную влажность материала. Например, нарушения требований сухости зерна или цемента, могут привести к порче продукта, и серьезным финансовым потерям. Представьте себе заплесневевший элеватор зерна емкостью десятки тысяч тонн. Или превратившийся в камень, внушительный запас сухих строительных смесей.
Как определить количество воды в окружающей среде или предметах? Для этого используются датчики влажности.
01
Такой прибор называют гигрометром или гигростатом, в зависимости от способа применения. С простейшими механическими гигрометрами вы наверняка сталкивались на уроках физики в школе, и в саунах, где этот тип прибора довольно популярен.
Датчики влажности воздуха по принципу действия
Для начала разберемся с терминами: что такое влажность в принципе?
Академически, это содержание водяных паров в атмосфере или количество влаги в иной среде по отношению к ее весу.
На практике влажность может быть обусловлена не только водой, но и другими техническими жидкостями.
Механические датчики влажности
Эти конструкции не отличаются разнообразием, и применяются не одну сотню лет. Принцип действия основан на способности материалов изменять свои габариты (длину) при намокании. Наилучший вариант – это женский волос рыжего цвета (разумеется, естественного происхождения, а не окрашенный). На практике чаще всего применяется конский волос, или волосы других животных.
Система подвеса состоит из грузика (или пружины), оттягивающего измерительный элемент: волос. Подвес прикреплен к стрелке. При намокании, волос растягивается, стрелка показывает значение влажности. Разумеется, при изготовлении такого прибора или смене изношенного волоса, шкалу необходимо заново откалибровать. Преимущество таких приборов – простота и дешевизна в реализации. Недостатки: высокая погрешность (причем она меняется в ходе эксплуатации) и боязнь механических нагрузок.
Психрометрические датчики температуры и влажности
Почему два в одном? Дело в том, что датчик влажности такой конструкции основан на измерении температуры. А поскольку в системе есть термометр, почему не вывести его показания на табло. Эти приборы бывают механическими и электронными. Механика представляет собой два одинаковых термометра, один из которых помещен во влажную среду (банальное обертывание мокрой ветошью). Иногда, для увеличения производительности, приборы обдувают специальным вентилятором. На влажном и сухом термометрах отображается разная температура. Разница определяется степенью влажности воздуха (мокрый термометр в сухом воздухе быстрее охлаждается). Для получения показаний используются специальные психрометрические таблицы. В этом главный недостаток прибора: сложность проведения измерений. Еще одна проблема – такой гигрометр не может работать непрерывно, для каждой процедуры измерений он готовится заранее: необходимо намочить ветошь (губку), запустить вентилятор, дождаться, пока столбики термометров найдут верное положение. Зато психрометрический датчик влажности воздуха с механическим приводом надежен и точен. Стоимость такого прибора также доступна.
Электронные датчики температуры и влажности психрометрического типа работают по такому же принципу. Вместо термометров используются термисторы: электронные компоненты, сопротивление которых зависит от температуры. Подключены по мостовой схеме: при идеальном балансе температур напряжение на выходе нулевое, если происходит разбалансировка показаний – на выходе датчика появляется потенциал. Чтобы определить разность температур, термисторы помещены в две камеры: герметичную с сухим воздухом, и перфорированную, в которой будет реальная влажность по месту измерения. Вариант удобный, универсальный, но его точность весьма условна.
Подобные детекторы применяются в различных электронных схемах контроля. Особенно они популярны при разработке систем на базе Arduino.
Емкостные датчики влажности
Достаточно простые электронные устройства, работа которых основана на изменении электропроводности воздуха в зависимости от насыщения влагой. Фактически – это конденсаторы переменной емкости, величина которой контролируется управляющей схемой. Датчик влажности воздуха емкостного типа использует конденсаторы с воздушной прослойкой между пластинами. Универсальные гигрометры (с твердым диэлектриком) могут измерять количество воду в твердой среде.
Сенсоры надежные и достаточно точные, однако со временем изнашиваются. К неоспоримым преимуществам можно отнести независимость от кислотности среды. Этим обычно грешат резистивные сенсоры.
Оптический датчик влажности
Содержит измерительную зеркальную пластину и чувствительный фотодетектор. Второе наименование измерителя – конденсационный. Принцип действия основан на природе так называемой точки росы. При определенной температуре поверхности, на ней образуется конденсат. Наглядный пример – покрытые росой автомобили, припаркованные на открытом воздухе. Зеркальная пластина последовательно нагревается, выпадение конденсата фиксируется фотодетектором.
Фото-пара тщательно фокусируется: пока зеркальная поверхность чистая, фотоэлемент пропускает электрический ток. После выпадения росы свет рассеивается, сила тока падает, электроника фиксирует этот момент, и вычисляет уровень влажности по запрограммированному алгоритму.
Такие измерители достаточно точны, однако боятся вибраций и достаточно громоздки. Стоимость средняя. Существенный недостаток – необходимо поддерживать поверхность в идеальной чистоте. Кроме того, после применения датчик необходимо просушить для следующего применения. То есть, в реальном времени он не работает. Фактически – состояние измерений «включено» или «выключено».
Резистивный датчик влажности
Представляет собой переменный резистор, сопротивление которого меняется при изменении влажности. На первый взгляд, сенсор похож на емкостной прибор.
На самом деле технология иная. На диэлектрическую подложку наносится ряд электродов или наматывается токопроводящая проволока (две обмотки с гальванической развязкой). Затем пространство между электродами заполняется специальным солевым гелем или токопроводящим полимером. Главное условие – высокая гигроскопичность материала. Попадая во влажную среду, полимер (солевой гель) меняет проводимость. Сопротивление резистора меняется в обратной зависимости: чем выше влажность, тем оно ниже. Изменения фиксируются электроникой. Неоспоримые преимущества такой схемы: высокая точность, стабильность параметров, и долгий срок службы. Недостатки – невозможность работать в агрессивной среде, требуется защита от пыли. Однако вышедший из строя сенсор легко заменить: стоимость невысокая.
Датчик температуры и влажности воздуха может работать в качестве наглядного измерительного прибора, когда показания просто фиксируются наблюдателем.
Однако более целесообразным будет подключение датчика влажности к системе управления процессами. Как минимум, к устройству сигнализации (оповещения). Например, при выращивании сельскохозяйственных культур, датчик, погруженный в почву, может дать команду на полив грунта. В системах автоматического климат-контроля датчики температуры и влажности управляют кондиционерами и обогревательными котлами без участия оператора.
Применение датчиков на практике
Датчики используются для следующих задач:
Датчики для твердой среды по принципу действия
Как мы уже говорили, некоторые датчики влажности и температуры воздуха универсальны: могут работать в грунте или сыпучих смесях. Также существуют специализированные приборы для решения подобных задач. Собственно, технологий для измерения содержания влаги в сыпучих средах (почва, сухие смеси и пр.) не так много.
Резистивные датчики
Эти детекторы работают по принципу амперметров: а в качестве резистора в цепи выступает среда измерения. Почва или сухая смесь, в зависимости от насыщения водой, меняет электропроводность (или сопротивление). Соответственно меняется и сила протекающего тока. Подобные датчики могут быть только электронными, поскольку механически обеспечить измерение влажности в твердой среде затратно и нецелесообразно.
Два (или больше, для повышения точности) электрода погружаются в среду измерения.
Модуль управления подает на контакты небольшое напряжение, и замеряет значение электрического тока. Чем больше влаги, тем сильнее электроток. Надежная и довольно точная конструкция, не лишена недостатков. Во-первых, электроды должны быть выполнены из материала, стойкого к коррозии и механическим повреждениям. Во-вторых, при калибровке прибора необходимо учитывать содержание солей в почве (или материале).
Емкостные датчики влажности почвы
Пожалуй, самые популярные устройства среди квартирных «земледельцев». Сегодня стало модным выращивать некоторые продукты питания не на огороде, а например, в квартире в Москве. Для обеспечения хорошего урожая применяются технологии интенсивного земледелия под управлением электроники. Контроллер получает информацию о температуре, уровне влажности и освещенности, и моделирует природные условия для вашей грядки на подоконнике.
Если система управления отлажена, нет необходимости ежедневно контролировать процесс роста растений. Достаточно пополнять емкость для полива, и своевременно собирать урожай.
Преимущество такого прибора – возможность работать «на автомате». Кроме того, такой датчик можно сделать своими руками.
Изготовление датчика влажности почвы своими руками на Arduino
Разумеется, сам сенсор изготавливать не нужно, эта деталь давно и успешно выпускается нашими друзьями из Поднебесной и стоит относительно недорого. Речь пойдет об интеграции датчика в систему управления для теплицы или балконной грядки.
Типичный пример: комплект FC-28.
Представляет собой емкостной детектор, соединенный с платой компаратора, выполненной на микросхеме LM393. В схеме присутствует потенциометр, с помощью которого можно произвести калибровку и задать условия для срабатывания датчика. Принципиальная схема устройства на иллюстрации:
Прибор не предназначен для мониторинга текущей влажности земли: его задача дать сигнал для включения системы автоматического полива. При достижении откалиброванного резистором порога сухости почвы, логический «0» на выходе компаратора меняется на «1» (контакт D0). Контроллер получает сигнал и дает команду исполнительному механизму полива.
В принципе, разработчик предусмотрел возможность снятия показаний для отображения на текстовом табло. Для этого используется аналоговый сигнал (A0) со схемы управления. Это не основной режим, но оператор всегда может увидеть влажность почвы в процентах.
Питание комплекта осуществляется с помощью источника 5 вольт с током до 35 мА. Это может быть блок питания или комплект батареек. Подойдет любая версия Arduino: например, UNO.
Схема может быть расширена датчиком уровня воды, световой и звуковой сигнализацией. Источником водоснабжения служит помпа, соединенная с контролируемым резервуаром. Типовая блок-схема готовой системы полива на емкостном датчике влажности представлена на иллюстрации:
Если запрограммировать контроллер Arduino на несколько грядок, можно применять систему на больших территориях: поле, теплица и пр.
Изготовление датчика влажности почвы своими руками
Еще одна популярная сфера применения датчика влажности (на этот раз воздуха) – это домашний инкубатор. Как известно, при нагреве инкубатора воздух внутри осушается. Это может привести к высокому проценту отбраковки яиц. Примитивные миски с водой не всегда дают должный эффект: без системы контроля вода испарится, а владелец инкубатора может пропустить этот момент. Для контроля необходим элементарный контроль с цифровым табло.
Если не рассматривать популярные готовые решения на Ардуино, можно собрать электронный детектор влажности воздуха на базе микросхемы PIC16F628A. Сенсор влажности, совместимый с такой логикой – DTH-11. Остальная элементная база – несколько согласующих резисторов и цифровое табло.
Данный контроллер имеет возможность как показывать уровень влажности в процентах, так и давать сигнал на исполнительное устройство для увлажнения. Снабдив его любым типом увлажнителя можно не беспокоиться о сохранности яиц в закладке.
Кроме того, данная схема позволяет подключить сенсор температуры. Таким образом, вы получаете полноценную систему климат контроля для инкубатора, работающую в автономном режиме.
Промышленные датчики температуры и влажности
При наличии средств, все эти приборы можно приобрести в заводском исполнении.
Это может быть отдельно вынесенный датчик влажности для индикации, или встроенный сенсор с подключением к системе «умный дом». Многие датчики позволяют получать информацию дистанционно, с передачей по сети интернет или на мобильный планшет.
Совет: для эффективного и надежного использования лучше приобретать не универсальные, а специализированные датчики влажности и температуры.
В данном материале есть описание различных типов сенсоров: каждый из них хорош для конкретных условий применения. Не обязательно выбирать самый дорогой и защищенный от агрессивной внешней среды прибор, если он будет использоваться в помещении.
Равно как датчик влажности почвы для горшков комнатных растений, не сможет контролировать обширные грядки в теплице или на поле.
Совет для самодельщиков
Если вам подвернулся исправный датчик с какого-нибудь готового устройства, не пытайтесь извлечь его и использовать в другой схеме. Интегрированные сенсоры, как правило, разрабатываются под конкретные проекты, и создание переходной схемы сведет на нет всю экономию. Лучше сначала разработать свой контроллер, а затем приобрести под него конкретный датчик влажности.
Измеритель влажности воздуха своими руками: инструктаж по сборке гигрометра
Для контроля микроклимата помещения обязательно понадобятся специальные приборы. Это касается и устройства, с помощью которого можно наблюдать за количеством водяных паров, которые могут присутствовать в воздухе.
Согласитесь, ведь не только чрезмерная сухость, но и избыточная влажность негативно сказывается на состоянии здоровья живущих или работающих здесь людей. Так почему бы не попробовать сделать измеритель влажности воздуха своими руками, который поможет для разных ситуаций?
Далее мы расскажем о принципе работы гигрометра, а также приведем инструкцию по самостоятельной сборке нескольких простейших устройств.
Для чего нужен гигрометр?
Вначале надо разобраться с вопросом, зачем вообще может понадобиться измеритель влажности воздуха? В продаже предлагаются готовые приборы для этой цели. Речь идет о гигрометрах, хотя есть и такие люди, которые предпочитают психрометры.
Вот только все привыкли к более простым и понятным приборам. Наиболее практичным и удобным можно назвать первый вариант, так как здесь не приходится заниматься расчетами, чтобы получить точную цифру влажности воздуха.
А ведь показатели влажности воздуха играют важную роль. Если речь идет о человеческом организме, для него этот показатель должен находиться в пределах 40-60%. Но это только в том случае, если речь идет о здоровом человеке.
Когда показатель будет отличаться, окажется ниже, понадобится задействовать специальный увлажнитель. На него придется тратить деньги. В противном случае нужно включать осушитель воздуха, что также потребует лишних финансовых затрат. И окажется очень хорошо, когда уровень влаги в помещении будет регулироваться автоматически.
Измеритель влажности воздуха может понадобиться для самых разных ситуаций.
Не стоит упускать из вида, что излишняя влага или ее недостаточное количество обязательно приносит вред:
Важно не забывать также и про бытовую технику, которая присутствует практически в любой как городской квартире, так и в частных домах.
В первую очередь, это касается людей, которые имеют проблемы со своим здоровьем. От уровня влажности в помещении зависит самочувствие. Если влажность воздуха окажется ниже допустимой нормы, даже здоровому человеку будет трудно дышать.
Обязательно наблюдается пересыхание слизистых оболочек. Особенно это важно для тех, кто имеет заболевание, связанное с дыхательными путями: астматикам, страдающих бронхитом и т.д. Не стоит забывать и про сердечные болезни, где также серьезную роль играет влажность воздуха.
Более подробно о влиянии влажности воздуха на здоровье человека читайте далее.
Необходимость измерения влажности
Измеритель влажности может потребоваться как семье, проживающей в небольшой городской квартире, так и для фермерского хозяйства. Особенно это касается тех, кто имеет инкубаторы и занимается разведением птенцов.
Чтобы не покупать этот прибор, его можно постараться изготовить своими руками. В этом нет ничего сложного, легко справится даже тот, кто никогда этим не занимался. Но все же понадобится несколько элементов или готовых устройств. Все зависит от того, какой вариант измерителя будет выбран.
Далее мы рассмотрим несколько самодельных вариантов измерителя влажности воздуха, и у каждого имеются свои как преимущества, так и недостатки.
Некоторые устройства сделать очень просто, а вот над другими придется немного повозиться. В итоге удастся узнать точный или приблизительный процент влажности. Все зависит от выбора устройства.
Для того, чтобы самостоятельно собрать более сложные приборы для измерения влажности может потребоваться паяльник, а также другие инструменты.
Сборка самодельных приборов
Не все описанные устройства заслуживают внимания, поэтому отдельно стоит остановиться на тех, которые проще изготовить или дают более точные показания.
Вариант 1 – простейший гигрометр
Многие люди, которые пользуются очками, уже давно обратили внимание на то, что если с холода зайти в теплое помещение, стекла обычно запотевают. Вот только все зависит не только от температуры в комнате, но и от влажности.
В одних случаях стекла становятся практически мокрыми, поэтому их приходится хорошо вытирать салфеткой. А вот в других помещениях они очень быстро и сами высыхают.
По этому же принципу устроен и самодельный прибор из подручных средств, с помощью которого удастся определить влажность воздуха в помещении. Только показания окажутся не точными, а приблизительными.
Для этой цели потребуется следующее:
Также нужно учитывать, что это окажется одноразовый прибор, и чтобы через время снова узнать показания влажности, этот эксперимент придется снова повторить.
Затем стакан с водой вынимаем из холодильника и устанавливаем в помещении, где необходимо проверить уровень влажности. Только ставить его надо подальше от обогревательных приборов, иначе это даст совсем неточные результаты.
На стакане заметен не просто конденсат, а стекающие капли. Это означает повышенный процент влажности в помещении, где проводятся измерения.
Как правило, в результате такого простого и доступного эксперимента можно получить один из 3-х вариантов:
Какой процент влажности воздуха – это уже не удастся сказать с точностью. Можно констатировать только одно: он понижен, превышен или речь идет о приемлемом показании.
Вариант 2 – устройство из природных материалов
Не все знают, что практически все растения тем или иным способом реагируют на влажность воздуха. Чтобы самостоятельно изготовить измеритель из природных материалов, совсем необязательно уметь «читать» поведение растений, надо быть только внимательным.
Шишка обязательно реагирует на изменение влажности как на улице, так и в помещении. Надо просто понаблюдать за ее чешуйками.
Для проведения эксперимента понадобится еще небольшой кусок фанеры. В ее центре крепится шишка, что можно сделать как при помощи гвоздя, так и воспользовавшись скотчем.
Только здесь придется понаблюдать, с какой скоростью будут раскрываться чешуйки:
В последнем случае микроклимат в помещении соответствует средним показаниям. Но и в этой ситуации, используя такой эксперимент, точные данные не удастся получить.
Вариант 3 – гигрометр из салфетки
Самый простой домашний гигрометр удастся изготовить из подручных средств. Он уже окажется более точным, потому что в этом случае используется самодельная шкала показаний. Только ее нужно правильно настраивать.
Для создания самоделки понадобятся:
Также надо найти и клей, с помощью которого к фанере приклеивается бумажная салфетка, чтобы она не двигалась.
С обоих концов закрепленной салфетки в фанеру забивается 2 гвоздя. Потом к салфетке крепится 2 куска проволоки. Но один из них обязательно прикрепляется и к гвоздю. Он будет выполнять роль стрелки.
Для точности измерений вначале нужно использовать и настоящий механический гигрометр, чтобы на фанере нарисовать соответствующую шкалу. Этот самодельный прибор удастся использовать и в дальнейшем, он точно не будет одноразовым.
Проволока, прикрепленная одной стороной к гвоздю, а второй – к салфетке, будет двигаться, если влажность в помещении начнет изменяться. Чтобы убедиться в этом, достаточно такое устройство установить на кухне в момент приготовления пищи.
Предлагается еще и аналог волосяного устройства для измерения нужных показаний относительной влажности воздуха. Но оно имеет свои недостатки. Во-первых, на его изготовление понадобится значительно больше разных материалов.
А во-вторых, потребуется потратить время. Третья проблема заключается в том, что понадобится длинный волос не менее 40-50 см. Здесь все основано на том, что человеческий волос хорошо реагирует на любые изменения влажности воздуха. Намного проще самостоятельно изготовить такой прибор как психрометр.
Вариант 4 – самодельный психометр
Хотя на изготовление психрометрического прибора понадобится время, но зато такое устройство будет выдавать более точные показания.
При его изготовлении не обойтись без нескольких важных элементов:
Берутся термометры для измерения температуры. Их необходимо прикрепить к доске таким образом, чтобы они находились в вертикальном положении, но обязательно параллельно друг ко другу. Для этого помимо доски могут потребоваться и деревянные планки.
А дальше потребуется запитать влагой один из термометров. Под него устанавливается колба или пузырек, где находится дистиллированная вода. Затем берется полоска ткани и ею обматывается ртутный шарик.
Если это спиртовой термометр, тогда эта процедура проделывается с его баллончиком. Чтобы обмотанная часть со временем не распустилась, ее необходимо обвязать нитью. А затем свободный конец ткани помещается в сосуд с водой на глубину 5-6 мм.
Это устройство по своему принципу работы практически такое же, как и обычный психрометрический гигрометр. Вот только чтобы пользоваться им, необходимо сразу составить таблицу. Здесь понадобится сравнивать показания каждого термометра и делать определенные вычисления.
Берется во внимание показания как «сухого», так и «влажного» прибора и уже благодаря сделанным вычислениям удастся определить уровень влажности в помещении. Такое самодельное устройство выгодно тем, что удается получать более точные и правильные показания.
Вариант 5 – сложные датчики влажности
Можно изготовить и более сложный датчик влажности воздуха своими руками, и здесь уже понадобится паяльник и несколько определенных элементов. Сложности в изготовлении не будет в том случае, если делать все правильно.
После этого к контактным площадкам надежно припаивается два проводка. Затем надо капнуть капельку туши, используемой для рисования. Уровень влажности будет измеряться по сопротивлению кляксы, которая должна засохнуть.
Если сопротивление увеличивается, это говорит о повышенном проценте влажности. Но когда оно уменьшается, тогда все говорит о недостаточном уровне влаги в воздухе.
Хороший мастер такой прибор сумеет изготовить из дерева. Подобная самоделка может служить даже украшением интерьера. Вот только здесь имеются некоторые негативные моменты.
Первый минус в том, что понадобится специальная еловая древесина. А второй негативный момент заключается в наличии хорошей мастерской с циркуляционной, ленточной пилой и сверлильным станком (может подойти и электрическая дрель). Поэтому такой вариант самодельного гигрометра также можно назвать сложным.
Выводы и полезное видео по теме
Пример изготовления волосяного гигрометра своими руками:
О том, как сделать психометр в домашних условиях пойдет речь в следующем видеоролике:
Все описанные способы изготовления приборов для измерения влажности воздуха относятся к простым, где все удастся сделать своими руками. Можно самостоятельно смастерить даже электронный прибор. Но здесь потребуется плата управления и другие электронные элементы.
Не у всех получится создать такое устройство, хотя оно будет давать более точные показания. Из всех перечисленных выше описаний самым выгодным можно назвать психрометр из термометров. Его изготовление не представляет большой сложности.
А приходилось ли вам заниматься сооружением самодельного гигрометра? Пожалуйста, расскажите нашим читателям о том, какой прибор получилось соорудить и были ли сложности при этом. Оставляйте свои комментарии, делитесь фото собственных самоделок – блок для связи расположен ниже.