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:

емкостные;

резистивные;

термисторные;

оптические;

электронные.

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.

Второй вариант хорошо подходит для проведения измерений относительно содержания воды в твердых веществах. Исследуемый объект размещается между обкладками такого конденсатора, к примеру объектом может быть таблетка, а сам конденсатор присоединяется к колебательному контуру и к электронному генератору, при этом измеряется собственная частота полученного контура, и по измеренной частоте «вычисляется» емкость, полученная при внесении исследуемого образца.

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.

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.

Термисторный гигрометр состоит из пары одинаковых термисторов. К слову напомним, что — 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

Этот вид датчиков наиболее точен. В основе работы оптического датчика влажности — явление связанной с понятием «точка росы». В момент достижения температурой точки росы, газообразная и жидкая фазы - в условии термодинамического равновесия.

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.

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 , 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.

Андрей Повный

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.