Датчики влажности воздуха сравнение

Как выбрать датчик влажности

Наиболее важные технические параметры, которые необходимо просмотреть при выборе датчика влажности, это:
— точность
— повторяемость
— взаимозаменяемость
— долгосрочная стабильность
— восстановление от конденсата
— стойкость к химическим и физическим загрязнениям
— размер
— корпус
— стоимость

Дополнительными фактора для рассмотрения могут стать стоимость замены, калибровка, сложность конструкции, надежность усилителя сигнала и схемы обработки данных. Чтобы рассмотреть все предложения, которые доступны на современном рынке электронных компонентов, необходимо рассмотреть основные типы датчиков влажности и общие закономерности работы каждого из них.

Емкостные датчики относительной влажности (RH)

Емкостные датчики влажности широко используются в современном промышленном оборудовании, бытовой технике и телеметрических системах сбора метеорологических данных.

Такие датчики конструктивно состоят из подложки, на которой расположен тонкопленочный полимерный или металлооксидный между двумя проводящими электродами. Чувствительная поверхность покрыта пористым металлическим электродом для защиты от загрязнения и конденсата. Подложка обычно изготавливается из стекла, керамики или кремния. Инкрементальные изменения в диэлектрической константе емкостного датчика влажности практически прямо пропорциональны относительной влажности окружающего воздуха. При колебании влажности на 1% емкость изменяется на 0.2-0.5 пФ, а при 50% влажности (25°С) колебания могут достигать от 100 до 500 пФ.

Емкостные датчики влажности характеризуются низким температурным коэффициентом, возможностью работы на высоких температурах (вплоть до 200°С), возможностью полного восстановления от попадания конденсата и умеренной стойкостью к химическим испарениям. Время отклика датчиков составляет от 30 до 60 с для шага изменения влажности в 63%.

Современные технологии производства емкостных датчиков интегрировали в себя многие достижения полупроводниковой электроники, чтобы добиться минимального смещения параметров и гистерезиса при долгосрочной эксплуатации. Например, тонкопленочные емкостные датчики могут интегрировать на подложке монолитную микросхему усилителя сигнала. Часто современные усилители сигналов имеют CMOS генератор для сглаживания линейного выходного сигнала.

Типичный класс точности емкостных датчиков составляет ±2% отн.влажности в диапазоне от 5 до 95% при калибровки по двум точкам. Следует учитывать, что емкостные датчики имеют ограничения по рабочему расстоянию, чувствительный элемент может быть расположен вдали от схемы усиления сигнала, чтобы избежать паразитных эффектов соединительного кабеля (уровень колебаний емкости датчика не велик). Расстояние должно быть менее 3 метров.
Прямая замена датчиков может стать проблемой, если датчик при производстве не прошел лазерную обработку или если не используется компьютерная калибровка датчиков. Датчики с лазерной обработкой имеют значение взаимозаменяемости ±2%.

Емкостные датчики точки росы

Тонкопленочные емкостные датчики отличаются дискретным изменением сигнала при малой относительной влажности. Их работа характеризуется стабильностью и минимальным сдвигом во всем периоде эксплуатации. Однако такие датчики не имеют линейного выхода, когда относительная влажность падает ниже нескольких процентов. Такая особенность датчиков привела к разработке системы измерения точки росы, которая объединяет емкостной датчик с микропроцессорной схемой, хранящей данные калибровки в блоке энергонезависимой памяти. Такой подход к решению проблемы значительно сократил стоимость гигрометров и передатчиков точки росы, которые используются в системах кондиционирования воздуха и телеметрических системах сбора метеорологических данных. Датчики монтируются на микросхеме, которая имеет выходной сигнал по напряжению в зависимости от уровня относительной влажности. Микропроцессорное управление запоминает уровень напряжения на уровне 20 в диапазоне температур -40…27°С. Опорные значения подтверждается с NIST гигрометром, работающим по технологии охлаждаемого зеркала на элементах Пельтье. Уровень напряжения в точке росы и точке замерзания сохраняется в EPROM память датчика. Микропроцессор использует эти данные для расчета алгоритма линейной зависимости при одновременном измерении температуры сухого термометра и давления водяного пара. Как только определено давление водяного пара, температура точки росы рассчитывается из термодинамической зависимости, хранящейся в EPROM памяти. Корреляция с технологией измерения охлаждаемого зеркала выше ±2°С для точки росы в диапазоне -40…-7°С и выше ±1°С в диапазоне -7…27°С. Долгосрочная стабильность датчика составляет менее 1.5°С в год. Измерительные метрологические приборы, работающие по этому принципу, широко используются в различных приложениях, благодаря своей привлекательной цене по сравнению с приборами на технологии охлаждаемого зеркала.

Резистивные датчики влажности

Резистивные датчики влажности фиксируют изменения электрического сопротивления гигроскопической среды (например, проводящего полимера, соли или обработанной подложки).

Резистивные датчики имеют бифилярную намотку. После покрытия гигроскопическим полимером, их сопротивление оказывается обратно пропорциональным влажности.

Обычно, резистивные датчики состоят из металлических электродов, наложенных на подложку с помощью фоторезистора или намотанных на пластиковых или стеклянный цилиндр электродов. Подложка покрывается солевым или проводящим полимером. Когда он растворяется или помещается в жидкое вещество, он ровно покрывает датчик. В другом случае, подложка может быть обработана каким-либо химическим реагентом, например, кислотой. Датчик поглощает водяной пар и ионные группы распадаются, что увеличивает электрическую проводимость. Время отклика для большинства резистивных датчиков составляет от 10 до 30 секунд для шага измерений 63%. Диапазон сопротивлений типичного резистивного элемента колеблется от 1 кОм до 100 МОм.

Большинство резистивных датчиков используются АС напряжение возбуждения без смещения постоянным током для предотвращения поляризации датчика. Образовывающийся ток конвертируется и выпрямляется в сигнал постоянного напряжения для дальнейшего усиления, линеаризации или аналого-цифрового преобразования.

Номинальная частота составляет от 30 Гц до 10 кГц.

Резистивные датчики не является полностью резистивные за счет емкостного эффекта в диапазоне более 10-100 МОм. Главное преимущества резистивных датчиков влажности заключается в их отличной взаимозаменяемости (обычно она составляет ±2% отн.влаж.), что позволяет использовать резистор для калибровки схемы усиления сигнала на фиксированном уровне влажности. Это позволяет устранить необходимость в стандартах калибровки влажности. Точность каждого резистивного датчика влажности можно измерить в калибровочной емкости или с помощью специальной компьютерной системы. Диапазон рабочих температур резистивных датчиков влажности составляет от -40 до 100°С.

В условиях бытовой и коммерческой эксплуатации срок службы таких датчиков составляет более 5 лет, однако воздействие химических паров и других загрязнений (масла, например) может привести к их досрочному выходу из строя. Другой недостаток резистивных датчиков влажности – их тенденция к сдвигу значений при работе в конденсате, если используется растворимое в воде покрытие. Резистивные датчики имеют значительную зависимость от температуры, когда применяются в среде с большими температурными изменениями (более 10°F). В тоже время, схема термокомпенсация может быть добавлена в конструкцию датчика для увеличения его точности. Таким образом, основными преимуществами резистивных датчиков являются небольшие размеры, малая стоимость, взаимозаменяемость и долгосрочная стабильность.

В конструкции современных резистивных датчиков используется керамическое покрытие для снижения слияния условий окружающей среды при возникновении конденсата. Датчики состоят из керамической подложки с металлическими электродами, нанесенными по фоторезистивной технологии. Поверхность подложки покрыта проводящим полимером (или смешанным керамическим составом), а сам датчик помещается в защитный пластиковый корпус с пылевым фильтром.

Связующим материалом является керамический порошок, взвешенный в жидкой среде. После того, как поверхность покрыта и высушена, датчики обрабатывается высокой температурой. Результатом является толстопленочное покрытие, нерастворимое в воде, которое полностью защищает датчик от конденсата.
После попадания в воду, типичное время восстановления до уровня 30% датчика с керамической подложкой составляет 5-15 минут, в зависимости от скорости движения воздуха.

Взаимозаменяемость датчиков составляет менее 3% в диапазоне измерений 15-95% отн.влажнсоти. Точность составляет ±2%. При использовании датчика вместе со схемой усиления сигнала, выходное напряжение прямо пропорционально относительной влажности окружающей среды.

Теплопроводящие датчики абсолютной влажности

Такие датчики измеряют абсолютную влажность путем определения разницы между теплопроводимостью сухого воздуха и воздуха, насыщенного водяными парами.

Для измерения абсолютной влажности на высоких температурах часто используются теплопроводящие датчики. Их рабочий принцип сильно отличается от резистивных и емкостных датчиков.

Если воздух или газ сухой, он имеет значительные возможности поглощения тепла. Типичный пример – климат пустынь. Днем в пустыне очень жарко, однако ночью температура резко падает благодаря сухому атмосферному климату. И наоборот, влажный климат не может так быстро охлаждаться, поскольку тепло сохраняется водяными парами в атмосфере.

Теплопроводящие датчики влажности (или датчики абсолютной влажности) состоят из двух согласованных NTC термисторов, включенных по мостовой схеме. Выходное напряжение моста прямо пропорционально абсолютной влажности. Один термистор герметично изолирован в сухом азоте, а корпус другого открыт.

При прохождении тока через термисторы, термосопротивление увеличивает температуру до более 200°С. Тепло, рассеиваемое с герметичного термистора, больше, чем тепло открытого термистора, за счет разницы в теплопроводимости водяного пара и сухого азота. Поскольку рассеиваемое тепло создает разные рабочие температуры, разница сопротивления термисторов пропорциональна абсолютной влажности.

Простая сборка резисторов дает выходное напряжение в диапазоне 0 – 130 г/куб.м при 60°С. Калибровка проводится путем помещения датчика в сухую воздушную среду или в азот с регулировкой выходного сигнала до нуля. Датчики абсолютной влажности имеют долгий срок службы, их рабочая температура достигает 300°С, а корпус датчиков устойчив к химическим парам.

Интересная особенность теплопроводящих датчиков заключается в том, что они реагируют на любой газ, обладающий отличной от азота теплопроводимостью. Это повлияет на результаты измерений. Обычно, датчики абсолютной влажности используются в сушильных аппаратах, микроволновых печах и пароварках.
В целом, датчики абсолютной влажности имеют большее разрешение при температурах более 200°F, чем емкостные и резистивные датчики влажности. Их можно использовать в тех приложениях, где обычные датчики влажности не допустимы. Типичная точность абсолютных датчиков составляет 3г/куб.м., это составляет около 5% отн.влажности при 40°С или 0.5% при 100°С.

Источник

Виды и принципы работы датчиков влажности

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:

Емкостные.
Резистивные.
Термисторные или психометрические.
Оптические.
Электронные.
Цифровые.
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 %.

влияние внешних загрязнений.

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.

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

К минусам данного датчика можно отнести

Небольшой срок службы — до 5 лет.
Большую чувствительность к химическим и масляным испарениям. Химические пары могут вывести прибор из строя досрочно.
Непроизвольный сдвиг показания датчика при работе в конденсате.
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.

Температура образования точки росы находится в прямой зависимости от атмосферного давления и влажности находящейся вокруг среды. Иначе говоря, имея на «руках» такие данные как температура и давление, то можно вычислить и влажность. Это принцип того метода на котором основана работа такого датчика.

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.

Применяется принцип «точки росы», которую измеряют над насыщенным составом хлорида лития. Этот состав реагирует даже на малейшее изменение показателя влажности.

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:

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

Приобрести датчик влажности можно как в специализированном магазине, так и онлайн в Интернет-магазине. Во втором случае, особого внимания заслуживает бюджетный вариант приобретения изделий на сайте Алиэкспресс. Для некоторых товаров есть вариант отгрузки со склада в РФ, их можно получить максимально быстро, для этого при заказе выберите «Доставка из Российской Федерации»:

Заключение

Датчики влажности приобрели большую популярность и применяются во многих сферах:

для поддерживания заданного уровня влажности на производствах, где оборудование требовательно к этому показателю;
для создания определенного микроклимата в офисных помещениях и в быту;
в сфере жилищно-коммунального хозяйства. В котельных и на станциях водоочистки;
для предотвращения появления плесени на стенах складских помещений.

Видео по теме

Источник