Сенсоры влажности

Сенсоры влажности

Сыров Андрей Владимирович

Гигрометр (датчик влажности)

- прибор, которым измеряют уровень влажности

Количественное определение влажности твердых материалов, жидкостей и газов является постоянной актуальной задачей практически во всех сферах промышленной и научной деятельности, сельском хозяйстве и медицине. 

Датчики влажности можно классифицировать по ряду признаков:

метод измерения, которому соответствует датчик;

агрегатное состояние и структура анализируемого материала;

условия работы - датчики для непрерывных и дискретных измерений

История создания

Измерение влажности начали проводить с 15 века. Влажность воздуха измерял ещё кардинал Н. Кузанский и весьма оригинальным способом. Первым его устройством были уравновешенные весы с пухом и камешками. При увеличении влажности пух тяжелел и наклонял чашу весов в свою сторону.

Следующий способом измерения влажности предложил врач из Венеции. Его прибором стала натянутая нить, которая изменяла свою длину (и звук при колебаниях) в зависимости от количества воды в воздухе.

Герцог Тосканский сделал прибор в виде сосуда. Конический сосуд заполнялся льдом, снаружи на стекле конденсировалась влага, стекающая в измерительный стакан (сосуд был перевернут).

Амонтон Гильом, механик из Франции, сделал гигрометр из кожаного шара. Менялся объём шара, в трубке, соединенной с ним и менялся уровень столбика жидкости.

Всерьёз и надолго занялся изготовлением гигрометра швейцарец Б. Соссюр в 18 веке. Перепробовав множество материалов, он остановился на волосах. Прокипятив их в растворе соды, Соссюр сделал гигрометр. Он создал стоградусную шкалу, длина волоса изменялась при изменении влажности воздуха, причем логарифмически. Это явление исследовал в 1895 году Б. И. Срезневский, метеоролог и вывел зависимость удлинения волоса от процента влажности. Удлинение оказалось прямо пропорциональным логарифму относительной влажности.

Б. Соссюр

Историческая справка:

1400 – Леонардо да Винчи (Италия): Первый примитивный гигрометр.

1664 – Франческо Фолли (Италия): Первый практический гигрометр.

1783 – Орас Бенедикт де Соссюр (Швейцария): изобрел гигрометр, который использует человеческий волос для измерения влажности.

1820 – Джон Фредерик Даниэля (Великобритания): определение точки росы с помощью гигрометра основанного на принципе измерения колебаний электрического сопротивления.

Весовой гигрометр

Служит для определения абсолютной влажности

Работа прибора основана на свойстве человеческого волоса изменять длину в зависимости от влажности. Диапазон измерения от 30% до 90% относительной влажности, погрешность ±2,5 %. Используется во всех аналоговых метеостанциях.

Волосной гигрометр

Электролитический гигрометр

Измерение влажности происходит за счет изменения проводимости и сопротивления соли электролита нанесенного на пластинку.

Керамический гигрометр

Измеряют колебания сопротивления твердо-пористой керамической массы в зависимости от влажности.

Конденсационный гигрометр

Принцип действия основывается на использовании встроенного зеркала.

В последнее время разработаны сорбционные датчики, имеющие «сэндвич»-струк­туру, для определения относительной влажности разных сред и микровлажности газовых сред.

Датчик влажности «сэндвич» типа:

1. Основание датчика;

2. Нижние электроды;

3. Пленка сорбента;

4. Верхний электрод.

По принципу действия, датчики влажности делятся на:

- емкостные;

• резистивные;

- термисторные;

- оптические;

• электронные;

Емкостной датчик влажности

Емкостные гигрометры, в самом простом случае, представляют собой конденсаторы с воздухом в качестве диэлектрика в зазоре.

Резистивный датчик

Принцип его работы основан на изменении показателя сопротивления гигроскопичного материала, которое происходит в зависимости от уровня содержания влаги. Детекторы такого типа чаще всего используются в быту.

Психометрический датчик. 

В данном случае его работа основана на том, что при испарении происходит потеря тепла. В такой конструкции используются 2 детектора: сухой и влажный. Измеряется разница температуры, что позволяет определить уровень содержания влаги в воздухе. Когда-то такие счетчики применялись реже, поскольку нужно было постоянно сверяться с таблицами. Сегодня это цифровые приборы высокой точности, и ими пользоваться совсем несложно.

Аспирационные датчики.

Они похожи на психометрические, но их конструкцией предусмотрено наличие вентилятора, который отвечает за принудительное нагнетание газа или воздушной смеси. Такие устройства целесообразно устанавливать там, где движение воздуха характеризуется слабостью и прерывистостью.

Термисторные датчики

Термисторный гигрометр состоит из пары одинаковых термисторов — это нелинейные электронные компоненты, сопротивление которых сильно зависит от температуры.

Оптические датчики

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

Электронные датчики

Принцип работы электронного датчика влажности воздуха основан на изменении концентрации электролита, покрывающего собой любой электроизоляционный материал.

Параметры

Современные датчики влажности должны обеспечивать высокую точность измерений и минимальное потребление, а также отличаться компактными габаритными размерами. Вместе с тем для достижения минимальной погрешности необходимо учитывать множество схемотехнических и конструктивных особенностей.

Например, учитываются следующие параметры:

Точность измерения относительной влажности (тип.), % RH ;

Диапазон измерения относительной влажности (тип.), % RH ;

Точность измерения температуры (тип.), °C ;

Диапазон питающих напряжений, В ;

Средний ток потребления (тип.), мкА ;

Диапазон рабочих температур, °C .

Поддержание требуемого уровня влажности воздуха является важной задачей в самых различных областях. Это приводит к широкому распространению датчиков влажности:

- в бытовых приложениях (настольных метеостанциях, кондиционерах и так далее);

- в фармакологии при производстве и хранении сырья и готовых лекарств (системы кондиционирования, холодильники);

- в пищевой промышленности при производстве, транспортировке и хранении пищевых продуктов (системы кондиционирования, холодильники, мобильные холодильные установки для перевозки продуктов);

- в промышленности, в частности – для поддержания оптимальных условий при сборке и тестировании электронных устройств или для правильного хранения сырья при производстве электронных компонентов (резисторов, конденсаторов и прочего);

- в системах автоматизации зданий ;

- в системах сигнализации (в датчиках газа, детекторах дыма и другое);

- в портативной электронике.

Спасибо за внимание!