Αισθητήρες υγρασίας - πώς είναι διευθετημένοι και λειτουργούν

Μια συσκευή που μετράει το επίπεδο υγρασίας ονομάζεται υγρόμετρο ή απλώς ένας αισθητήρας υγρασίας. Στην καθημερινή ζωή, η υγρασία είναι μια σημαντική παράμετρος, και συχνά όχι μόνο για τη συνηθισμένη ζωή, αλλά και για διάφορα είδη εξοπλισμού, για τη γεωργία (υγρασία του εδάφους) και πολλά άλλα.

Ειδικότερα, η ευημερία μας εξαρτάται πολύ από τον βαθμό υγρασίας του αέρα. Ιδιαίτερα ευαίσθητοι στην υγρασία είναι οι εξαρτώμενοι από τον καιρό άνθρωποι, καθώς και οι άνθρωποι που πάσχουν από υπέρταση, βρογχικό άσθμα, ασθένειες του καρδιαγγειακού συστήματος.

Με την υψηλή ξηρότητα στον αέρα, ακόμη και οι υγιείς άνθρωποι αισθάνονται δυσφορία, υπνηλία, κνησμό και ερεθισμό του δέρματος. Συχνά ξηρός αέρας μπορεί να προκαλέσει ασθένειες του αναπνευστικού συστήματος, ξεκινώντας από οξείες αναπνευστικές λοιμώξεις και οξείες αναπνευστικές ιογενείς λοιμώξεις και τελειώνοντας ακόμη και με πνευμονία.

Στις επιχειρήσεις, η υγρασία του αέρα μπορεί να επηρεάσει την ασφάλεια των προϊόντων και του εξοπλισμού, ενώ στη γεωργία, η επιρροή της υγρασίας του εδάφους στη γονιμότητα κλπ. Είναι σαφής. αισθητήρες υγρασίας - υγρόμετρα.

Ορισμένες τεχνικές συσκευές έχουν αρχικά βαθμονομηθεί με την αυστηρά απαιτούμενη σημασία και μερικές φορές για την τελειοποίηση της συσκευής είναι σημαντικό να υπάρχει η ακριβής τιμή της υγρασίας στο περιβάλλον.

Υγρασία μπορεί να μετρηθεί με πολλές από τις πιθανές τιμές:

• Για τον προσδιορισμό της υγρασίας του αέρα και των άλλων αερίων, οι μετρήσεις πραγματοποιούνται σε γραμμάρια ανά κυβικό μέτρο όταν πρόκειται για την απόλυτη τιμή της υγρασίας ή σε μονάδες RH όσον αφορά τη σχετική υγρασία.

• Για τη μέτρηση της περιεκτικότητας σε υγρασία στερεών ή υγρών, οι μετρήσεις ως ποσοστό της μάζας των δειγμάτων δοκιμής είναι κατάλληλες.

• Για να προσδιοριστεί η περιεκτικότητα σε υγρασία των ανεπαρκώς αναμεμειγμένων υγρών, ppm (πόσες ποσότητες νερού ανά 1.000.000 μέρη του βάρους του δείγματος) θα χρησιμεύσουν ως μονάδα μέτρησης.

Σύμφωνα με την αρχή της δράσης, τα υγραμερή χωρίζονται σε:

• χωρητικό.

• αντίσταση;

• θερμίστορ;

• οπτική;

• ηλεκτρονικό.

1) Χωρητικός αισθητήρας υγρασίας

Τα χωρητικά υγραμερή, στην απλούστερη περίπτωση, είναι πυκνωτές με αέρα ως το διηλεκτρικό στο κενό. Είναι γνωστό ότι στον αέρα η διηλεκτρική σταθερά σχετίζεται άμεσα με την υγρασία και οι αλλαγές στη διηλεκτρική υγρασία οδηγούν επίσης σε αλλαγές στην χωρητικότητα του συμπυκνωτή αέρα.

Μια πιο σύνθετη εκδοχή ενός αισθητήρα ανυψωτικής ικανότητας στο διάκενο αέρα περιέχει ένα διηλεκτρικό, με μια διηλεκτρική σταθερά, η οποία μπορεί να ποικίλει πολύ υπό την επίδραση της υγρασίας. Αυτή η προσέγγιση καθιστά την ποιότητα του αισθητήρα καλύτερη από ό, τι με τον αέρα μεταξύ των πλακών πυκνωτή.

Η δεύτερη επιλογή είναι κατάλληλη για μετρήσεις σχετικά με την περιεκτικότητα σε νερό των στερεών. Το αντικείμενο που μελετάται τοποθετείται μεταξύ των πλακών ενός τέτοιου πυκνωτή, για παράδειγμα το αντικείμενο μπορεί να είναι ένα δισκίο και ο ίδιος ο πυκνωτής συνδέεται με το ταλαντευόμενο κύκλωμα και με την ηλεκτρονική γεννήτρια ενώ η φυσική συχνότητα του κυκλώματος που λαμβάνεται μετράται και η χωρητικότητα που λαμβάνεται με την εισαγωγή του δοκιμαστικού δείγματος υπολογίζεται από τη μετρούμενη συχνότητα.

Φυσικά, αυτή η μέθοδος έχει κάποια μειονεκτήματα, για παράδειγμα, αν η υγρασία του δείγματος είναι κάτω από 0,5%, θα είναι ανακριβής, επιπλέον, το μετρούμενο δείγμα πρέπει να καθαρίζεται από σωματίδια που έχουν υψηλή διηλεκτρική σταθερά. Επιπλέον, το σχήμα του δείγματος είναι επίσης σημαντικό κατά τη διάρκεια της μέτρησης. αλλαγή κατά τη διάρκεια της μελέτης.

Ο τρίτος τύπος χωρητικού αισθητήρα υγρασίας είναι ένα χωρητικό υγρόμετρο λεπτού υμενίου. Περιλαμβάνει ένα υπόστρωμα στο οποίο εφαρμόζονται δύο ηλεκτρόδια χτένας. Στην περίπτωση αυτή, ηλεκτρόδια χτένα παίζουν το ρόλο των πλακών.Για τους σκοπούς της θερμικής αντιστάθμισης, εισάγονται επιπλέον δύο αισθητήρες θερμοκρασίας στον αισθητήρα.

2) Αισθητήρας ανθεκτικής υγρασίας

Ένας τέτοιος αισθητήρας περιλαμβάνει δύο ηλεκτρόδια που εναποτίθενται επί ενός υποστρώματος και πάνω από τα ίδια τα ηλεκτρόδια εφαρμόζεται ένα στρώμα υλικού το οποίο διαφέρει σε σχετικά χαμηλή αντίσταση, αλλά ποικίλει πολύ ανάλογα με την υγρασία.

Ένα κατάλληλο υλικό στη συσκευή μπορεί να είναι η αλουμίνα. Αυτό το φως οξειδίου απορροφά νερό από το εξωτερικό περιβάλλον, ενώ η ειδική αντίστασή του ποικίλει σημαντικά. Ως αποτέλεσμα, η ολική αντίσταση του κυκλώματος μέτρησης ενός τέτοιου αισθητήρα θα εξαρτάται σημαντικά από την υγρασία. Έτσι, η τιμή του ρέοντος ρεύματος θα υποδεικνύει το επίπεδο υγρασίας. Το πλεονέκτημα των αισθητήρων αυτού του τύπου είναι η χαμηλή τιμή τους.

3) Αισθητήρας υγρασίας θερμίστορ

Ένα υγρομετρητή θερμίστορ αποτελείται από ένα ζεύγος πανομοιότυπων θερμίστορ. Με την ευκαιρία, θυμηθείτε αυτό θερμίστορ - Πρόκειται για ένα μη γραμμικό ηλεκτρονικό εξάρτημα του οποίου η αντίσταση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία του.

Ένα από τα θερμίστορ που περιλαμβάνονται στο κύκλωμα τοποθετείται σε ένα στεγανό θάλαμο με ξηρό αέρα. Και το άλλο - σε ένα θάλαμο με οπές μέσω των οποίων εισέρχεται αέρας με χαρακτηριστική υγρασία, η αξία του οποίου πρέπει να μετρηθεί. Οι θερμίστορ συνδέονται σε ένα κύκλωμα γέφυρας, εφαρμόζεται τάση σε μία από τις διαγώνιες της γέφυρας και οι ενδείξεις διαβάζονται από την άλλη διαγώνιο.

Στην περίπτωση που η τάση στους ακροδέκτες εξόδου είναι μηδέν, οι θερμοκρασίες και των δύο εξαρτημάτων είναι ίσες, επομένως η υγρασία είναι η ίδια. Στην περίπτωση που η έξοδος θα λάβει μη μηδενική τάση, αυτό υποδεικνύει την ύπαρξη διαφοράς στην υγρασία στους θαλάμους. Έτσι, η υγρασία καθορίζεται από την τιμή της τάσης που λαμβάνεται κατά τη διάρκεια των μετρήσεων.

Ένας άπειρος ερευνητής μπορεί να θέσει μια δίκαιη ερώτηση, γιατί αλλάζει η θερμοκρασία ενός θερμίστορ όταν αλληλεπιδρά με τον υγρό αέρα; Και το γεγονός είναι ότι με την αύξηση της υγρασίας, το νερό αρχίζει να εξατμίζεται από την θήκη θερμοστοιχείου, ενώ η θερμοκρασία της θήκης μειώνεται και όσο υψηλότερη είναι η υγρασία τόσο πιο έντονη γίνεται η εξάτμιση και τόσο πιο γρήγορα θερμαίνεται ο θερμίστορ.

4) Αισθητήρας υγρασίας οπτικού (συμπύκνωσης)

Αυτός ο τύπος αισθητήρα είναι πιο ακριβής. Η βάση του αισθητήρα οπτικής υγρασίας είναι ένα φαινόμενο που συνδέεται με την έννοια του "σημείου δρόσου". Όταν η θερμοκρασία φτάσει στο σημείο δρόσου, οι αέριες και υγρές φάσεις βρίσκονται στην κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας.

Έτσι, αν πάρετε ένα ποτήρι και το τοποθετήσετε σε ένα αέριο μέσο, ​​όπου η θερμοκρασία κατά τη στιγμή της έρευνας είναι πάνω από το σημείο δρόσου και στη συνέχεια ξεκινήσει η διαδικασία ψύξης αυτού του γυαλιού, τότε σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία θα αρχίσει να σχηματίζεται συμπύκνωση νερού στην επιφάνεια γυαλιού, . Αυτή η θερμοκρασία θα είναι ακριβώς το σημείο δρόσου.

Έτσι, η θερμοκρασία σημείου δρόσου είναι άρρηκτα συνδεδεμένη και εξαρτάται από παραμέτρους όπως η υγρασία και η πίεση στο περιβάλλον. Ως αποτέλεσμα, έχοντας τη δυνατότητα μέτρησης της πίεσης και της θερμοκρασίας του σημείου δρόσου, θα είναι εύκολο να προσδιοριστεί η υγρασία. Αυτή η αρχή χρησιμεύει ως βάση για τη λειτουργία αισθητήρων οπτικής υγρασίας.

Το απλούστερο κύκλωμα ενός τέτοιου αισθητήρα αποτελείται από ένα LED που ανάβει σε μια επιφάνεια καθρέφτη. Ο καθρέφτης αντανακλά το φως, αλλάζει την κατεύθυνσή του και κατευθύνει τον φωτοανιχνευτή. Σε αυτή την περίπτωση, ο καθρέφτης μπορεί να θερμανθεί ή να ψυχθεί μέσω ειδικής συσκευής ελέγχου υψηλής ακρίβειας. Συχνά μια τέτοια συσκευή είναι μια θερμοηλεκτρική αντλία. Φυσικά, ένας αισθητήρας θερμοκρασίας τοποθετείται στον καθρέφτη.

Πριν ξεκινήσετε τις μετρήσεις, η θερμοκρασία του καθρέφτη ρυθμίζεται σε τιμή που είναι προφανώς υψηλότερη από τη θερμοκρασία σημείου δρόσου. Στη συνέχεια, πραγματοποιήστε σταδιακή ψύξη του καθρέφτη.Την στιγμή που η θερμοκρασία αρχίζει να διασχίζει το σημείο δρόσου, οι σταγόνες νερού θα αρχίσουν αμέσως να συμπυκνώνονται στην επιφάνεια του καθρέφτη και η δέσμη φωτός από τη δίοδο θα σπάσει λόγω αυτών, θα διασκορπιστεί και αυτό θα οδηγήσει σε μείωση του ρεύματος στο κύκλωμα φωτοανιχνευτή. Μέσω της ανατροφοδότησης, ο φωτοανιχνευτής αλληλεπιδρά με τον ελεγκτή θερμοκρασίας του καθρέφτη.

Συνεπώς, βασιζόμενοι σε πληροφορίες που λαμβάνονται με τη μορφή σημάτων από φωτοανιχνευτή, ο ελεγκτής θερμοκρασίας διατηρεί την θερμοκρασία στην επιφάνεια του καθρέφτη ακριβώς ίση με το σημείο δρόσου και ο αισθητήρας θερμοκρασίας θα δείχνει ανάλογα τη θερμοκρασία. Έτσι, με γνωστή πίεση και θερμοκρασία, μπορείτε να προσδιορίσετε με ακρίβεια τους βασικούς δείκτες υγρασίας.

Ο αισθητήρας οπτικής υγρασίας έχει την υψηλότερη ακρίβεια που δεν μπορεί να επιτευχθεί από άλλους τύπους αισθητήρων, συν την απουσία υστερήσεως. Το μειονέκτημα είναι η υψηλότερη τιμή όλων, συν μια μεγάλη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Επιπλέον, πρέπει να ληφθεί μέριμνα ώστε ο καθρέφτης να είναι καθαρός.

5) Ηλεκτρονικό υγρόμετρο

Η αρχή λειτουργίας του ηλεκτρονικού αισθητήρα υγρασίας αέρα βασίζεται σε μια μεταβολή της συγκέντρωσης ηλεκτρολύτη που καλύπτει οποιοδήποτε ηλεκτρικό μονωτικό υλικό. Υπάρχουν τέτοιες συσκευές με αυτόματη θέρμανση σε σχέση με το σημείο δρόσου.

Συχνά το σημείο δρόσου μετριέται σε ένα συμπυκνωμένο διάλυμα χλωριούχου λιθίου, το οποίο είναι πολύ ευαίσθητο στις ελάχιστες μεταβολές της υγρασίας. Για μέγιστη ευκολία, ένα τέτοιο υγρόμετρο είναι συχνά επιπλέον εξοπλισμένο με ένα θερμόμετρο. Αυτή η συσκευή έχει υψηλή ακρίβεια και χαμηλό σφάλμα. Είναι σε θέση να μετράει την υγρασία ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Απλά ηλεκτρονικά υγραμερή με τη μορφή δύο ηλεκτροδίων είναι επίσης δημοφιλή, τα οποία απλώς κολλάνε στο έδαφος, ελέγχοντας την υγρασία του σύμφωνα με το βαθμό αγωγιμότητας, ανάλογα με αυτή την υγρασία. Αυτοί οι αισθητήρες είναι δημοφιλείς με τους οπαδούς. Arduino, δεδομένου ότι είναι εύκολο να ρυθμίσετε αυτόματα το πότισμα ενός κρεβατιού στον κήπο ή ενός λουλουδιού σε μια κατσαρόλα, σε περίπτωση που δεν είναι βολικό ή βολικό για το νερό χειροκίνητα.

Πριν αγοράσετε έναν αισθητήρα, σκεφτείτε τι θα χρειαστεί να μετρήσετε, τη σχετική ή απόλυτη υγρασία, τον αέρα ή το έδαφος, ποια είναι η αναμενόμενη περιοχή μέτρησης, αν η υστέρηση είναι σημαντική και ποια είναι η ακρίβεια που χρειάζεται. Ο ακριβέστερος αισθητήρας είναι οπτικός. Δώστε προσοχή στην τάξη προστασίας IP, την περιοχή θερμοκρασίας λειτουργίας, ανάλογα με τις συγκεκριμένες συνθήκες όπου θα χρησιμοποιηθεί ο αισθητήρας, αν οι παράμετροι είναι κατάλληλες για εσάς.