Данный материал является продолжением темы создания домашней метеостанции, которая была начата в авторской разработке Универсальный цифровой термометр. В этой статье я расскажу, как можно самостоятельно сделать датчик измерения влажности вместо относительно дорогих емкостных датчиков, например, HIH-4000.
Вопрос измерения влажности в помещении является довольно актуальным. Влажность имеет большое влияние на организм человека. Согласно санитарных норм, в жилом помещении оптимальной величиной является влажность в интервале 30-45% в холодное время года и 30-60% в тёплое время. Существует несколько методов измерения влажности. Основными являются гигроскопический и психометрический методы.
Гигроскопический метод основан на свойстве некоторых материалов изменять свои линейные размеры в зависимости от изменения влажности воздуха. Такой метод позволяет измерять влажность воздуха в пределах от 30% до 100%. Обычно для этих целей используют обезжиренный человеческий волос. Волос закрепляют на основании и соединяют его с подвижной стрелкой. При измерении влажности длина волоса изменяется, а стрелка перемещается по шкале, проградуированной в относительных единицах влажности (процентах). Такие приборы называются гигрометры (рис.1). Так же существуют гигрометры на основе органической плёнки, электролитический, керамический, конденсационный гигрометры.
Рис.1 Гигрометр
Классические гигрометры, построенные на использовании волоса, применяют в основном для измерения влажности при отрицательных температурах, где остальные методы неэффективны, поэтому данный метод для контроля влажности в помещении нам неинтересен. Более точным способом, по сравнению с гигрометрическим, является психометрический способ определения влажности.
Психрометрический метод основан на измерении разности двух температур. Прибор, который работает на этом принципе, называется психрометр и состоят из двух термометров. Один термометр «сухой», другой – «влажный». Для того, что бы второй термометр был влажным, он оборачивается в хлопчатобумажную ткань, которая опускается в воду и является постоянно влажной за счёт капиллярного эффекта. Испаряясь, вода охлаждает влажный термометр. В результате этого получается разница между показаниями «сухого» и «влажного» термометров. Исходя из разницы температур «влажного» и «сухого термометров», и температуры «сухого» термометра – т.е. температуры в помещении, по специальным таблицам, которые называются психометрическими (табл.1) определяют относительную влажность воздуха.
Таблица 1
В качестве примера выпускаемого промышленностью психрометрического гигрометра, можно назвать прибор ВИТ-1 (рис.2). Он имеет два спиртовых термометра с пределом измерения 0…. +24 градуса. Один из термометров постоянно находится во влажном состоянии – для этого существует специальная емкость, которая заполняется водой. В емкость опускается трубка из хлопчатобумажной материи и надевается на колбочку термометра. На корпус психрометра нанесены таблицы, по которым сразу определяется влажность в помещении.
Рис.2. Психрометр ВИТ-1
По моему мнению, психрометрический способ, как наиболее точный, является хорошей альтернативой емкостному датчику для измерения влажности в помещениях – т.е. при температурах выше нуля. Естественно, мы не будем для этого использовать спиртовые термометры, а пойдём более интересным путём.
В основе нашего самодельного датчика остаётся тот же принцип психрометра – измерить температуру «сухого» и «влажного» датчиков и на основании их показаний извлечь из таблицы нужное значение. Такую обработку можно выполнить на микроконтроллере, что собственно мы и будем делать, модернизировав универсальный термометр, снабдив его функцией измерения влажности - психрометром.
Итак, первая «часть» психрометра у нас уже есть – как Вы видите, в термометре применяются датчики температуры DS18B20, один из которых измеряет температуру внутри помещения. Он как раз и будет «сухим» термометром. Второй (влажный) термометр, необходимо добавить в схему (рис.3. - вводимые новые элеметы выделены красным цветом). Он подключается к выводу 5 микроконтроллера. Этот датчик необходимо обернуть тканью, которая постоянно должна быть во влажном состоянии. Для обеспечения надёжной влагозащиты, необходимо на каждый вывод датчика, а затем на его корпус, одеть термоусаживающую трубку.
Рис.3. Модернизированная принципиальная схема универсального термометра с функцией психрометра.
В микроконтроллере запрограммированы значения, занесенные в таблицу 1. – диапазон температур сухого термометра 15….30 градусов и разность показаний между сухим и влажным термометром 0…9 градусов. При желании, корректировкой таблицы, прошитой в микроконтроллере, этот диапазон рабочих температур градусов можно сдвинуть в ту или иную сторону.
При выходе за пределы 15….30 градусов и при разности температур свыше 9 градусов, на дисплей выводится сообщение об ошибке. Так же показывается ошибка, если температура «влажного» датчика становится больше температуры «сухого» датчика.
В режиме психрометра, на дисплей постоянно выводится значения «сухого» и «влажного» датчиков и в случае, если температура выйдет за указанные пределы и будет выведено сообщение об ошибке, всё равно исходя из этих значений по расширенной психометрической таблице можно вычислить значение влажности. Если, разумеется, она лежит в области определения таблицы. А вообще планируется расширить таблицу значений влажности в микроконтроллере на диапазон 1…30 градусов.
Может случится ситуация, когда показания «сухого» и «влажного» датчиков одинаковы. А это возможно в двух случаях – когда влажность воздуха 100% или отсутствует вода в емкости «влажного» датчика. Поэтому, при показаниях влажности 100% нужно проверить, что «влажный» датчик действительно смочен водой.
Проверка работоспособности и корректности показаний. Для этого нам понадобиться контрольный термометр, а ещё лучше – психрометр, например, тот же ВИТ-1. Подключите «влажный» датчик DS18B20 к универсальному термометру, в микроконтроллер которого была залита прошивка версии 1.1. Оберните датчик влажной хлопчатобумажной тканью. «Сухой» (комнатный) датчик, тоже, разумеется, должен быть подключен. Включите режим психрометра (для перехода в этот режим необходимо кратковременно нажать кнопку S4) и минут через 15 запишите, показания температуры и влажности, которые отображаются на дисплее. Сравните по контрольному прибору показания «сухого» и «влажного» датчиков. Вычислите по таблице психрометра ВИТ-1 (или по таблице 1) значение влажности воздуха. Если показания температуры «сухих» и «влажных» датчиков на нашем устройстве и приборе ВИТ-1 совпадают, то на дисплее должно отображаться именно вычисленное по психометрической таблице показание. Если, например – показания «сухого» датчика +22 градуса, влажного +16 градусов, то влажность должна быть 54 % (рис.4). Если одна из температур измениться, то соответственно, изменяться и показания влажности. Удобство нашего электронного психрометра по сравнению с ВИТ-1 состоит в том, что значение влажности воздуха сразу отображается на дисплее и его не нужно вычислять по психрометрической таблице.
Рис.4. Режим психрометра в универсальном термометре
Конструктивное исполнение психрометрического датчика может быть любым. Главное условие, что бы «сухой» и «влажный» датчики находились в одной температурной зоне и в тоже время нужно избежать влияния влаги на «сухой» датчик.
Сравним достоинства и недостатки нашего психометрического датчика влажности воздуха по сравнению с емкостным датчиком HIH-4000:
Достоинства:
- доступность, т.к. HIH-4000 относительно «дефицитная». Например, у нас, их можно приобрести только под заказ
- стоимость двух температурных датчиков DS18B20 существенно ниже стоимости одного датчика HIH-4000
- упрощение программного кода микроконтроллера - все датчики HIH-4000 поставляются с уникальным паспортом значений, что требует введения в программу специальной корректирующей функции под конкретный датчик
Недостатки:
- большие, по сравнению с HIH-4000 размеры, особенности конструктивного исполнения
- необходимость использования емкости с водой для «влажного» датчика и слежения за её наличием.
- невозможно измерять значение влажности при температуре ниже +5 градусов
По измерениям влажности так же рекомендую почитать вот эти статьи:
Теперь рассмотрим, как конструктивно реализовать датчик влажности, построенный по психрометрическому методу. Для этой конструкции нам понадобиться корпус от компьютерной розетки (RJ-45), неисправная одноразовая зажигалка, хлопчатобумажная ткань, соединительный кабель не менее четырёх жил, два датчика DS18B20, термоусаживающая трубка. Конечно, подойдёт любой подходящий по размеру корпус. Вместо корпуса зажигалки так же можно задействовать какую-либо небольшую "емкость". Например, был опробован вариант с крышкой корпуса от реле РЭС-22. Небольшой фотоотчёт последовательности изготовления датчика влажности.
Зажигалку (она обязательно должна быть пустой) разбираем и обрезаем по размеру так, что бы она плотно входила в корпус компьютерной розетки:
Немного стачиваем сверху надфилем перегородку, делаем небольшой боковой паз под температурный датчик в корпусе зажигалки и заправляем в её кусочек ткани, как показано на фотографии:
На перегородку, в сделанный надфилем паз, укладываем датчик DS18D20 и фиксируем его термоклеем:
Аналогичным способом, как и ранее, укладываем второй кусочек ткани. При этом температурный датчик окажется между двух полосок:
Закрепляем получившуюся конструкцию в корпусе розетки и фиксируем её термоклеем. «Влажный» датчик готов:
Далее закрепляем в корпусе «сухой» (он же комнатный) термодатчик. Он устанавливается на крышке розетки с помощью термоклея напротив небольшого окошка:
Выполняем соединения датчиков (выводы питания соединяются вместе, а сигнальный вывод датчика индивидуальный – всего четыре провода) и подключаем их к соединительному кабелю:
Можно было бы уже собирать корпус. Но это мы пока делать не будем. Для начала нужно убедиться в работоспособности датчиков и их корректной работе. Установите емкость с водой вертикально, заполните её водой (обе половинки корпуса зажигалки) при помощи шприца. Подключите кабель к нашему универсальному термометру, в микроконтроллер которого была залита прошивка версии 1.1. Включите режим психрометра и минут через 20-30 запишите, показания температуры и влажности, которые отображаются на дисплее.
Соберите корпус и примерно через полчаса опять снимите показания. Если они приблизительно соответствуют предыдущим, значит, всё нормально. Если показания влажности сильно возросли, то это значит, что на «сухой» датчик воздействует влага от «влажного» датчика. В этом случае, «сухой» датчик придётся выдвинуть через окошко из корпуса. Проверить корректность показаний «сухого» датчика очень просто – они должны соответствовать показаниям температуры контрольного термометра, т.е. комнатной температуре. Если показания «влажного» датчика вызываю сомнения, то для проверки его необходимо извлечь из корпуса и завернуть во влажную ткань. А ещё лучше такую проверку провести до установки датчика в корпус. В любом случае, для сравнения можно воспользоваться контрольным термометром или психрометром со спиртовыми термометрами, например, тем же ВИТ-1. Учтите, что на увлажнение датчика существенно влияет материал ткани – она должна иметь очень хорошую пропитывающую способность.
Если всё нормально, показания на дисплее соответствую контрольному психрометру, то осталось только вертикально закрепить датчик в нужном месте и наш электронный психрометр готов:
Я использую психрометрический метод в приборе на 16F819. Все датчики температуры (DS18B20 или DS1820) соединяются параллельно и программно опрашиваются отдельно друг от друга. Для вычисления влажности используется формула расчета насыщающей упругости водяного пара при различных температурах. Для расчетов используются показания датчиков с разрешающей способностью 1/16 градуса. Показания разных типов датчиков интерпретируются по коду семейства.
