Сигнализатор появления влаги. Звуковой сигнализатор влажности Несколько важных моментов

Одним из зимних вечеров гулял по просторам интернета в поисках схемы датчика влажности почвы, увидел эту схему и она мне приглянулась из за её простоты.

Немного её переделал и вот что получилось

Развел дорожки в " ", вытравил плату, впаял детали и подключил питание. Попробовал дотронуться до контактов Д1 Д2, реле щелкнуло, покрутив переменник убедился что чувствительность меняется. Вроде бы все и надо успокоиться, но я вспомнил, что когда то я разбирал видеомагнитофон и нашел там два как я тогда подумал сопротивления (я не ошибся). Откопав эти сопротивления в куче радиодеталей попробовал одно из них подключить и посмотреть что получится. Вращая переменник добился, чтобы схема реагировала на пар исходящий из рта. Дышишь на датчик и реле срабатывает, таким образом получился датчик влажности воздуха.

Схема очень простая с доступными деталями (кроме сопротивления влажности из видеомагнитофона) . Применить устройство можно для включения вентиляции в ванной комнате, открытия форточки в теплице или парнике а если заменить сопротивление двумя электродами то можно включать автоматически полив растений.

При сборке используются следующие детали:

Переменный резистор 100 кОм тип R3296; Конденсаторы 0,022 мкФ керамика или пленочный, 220 мкФ х 16В электролит, 470мкФ х 25В электролит; Сопротивление 10 кОм 0,125Вт; Транзистор КТ315 с любым буквенным индексом или любой его аналог например BC847 ; Диод 1N4007 или любой другой аналогичный диод; Стабилизатор напряжения LM7809 (9B) или любой другой аналогичный; Реле LEG-12 или любое другое на 12В и тем-же расположением выводов; Микросхема К176ЛА7 или К561ЛА7 или CD4011 или любой её аналог, разница между микросхемами в напряжении питания;

При использовании микросхем К561ЛА7 и CD4011 вместо LM7809 нужно установить перемычку и реле 12В.

Если будет использоваться микросхема К176ЛА7, то вместо перемычки (видно на фото перемычка красного цвета между электролитами) надо впаять стабилизатор по схеме, так как питание этой микросхемы максимум 9В. Так же надо вместо реле 12В установить реле на 9В.

Вот что получилось у меня

Настройка схемы производится вращением переменного сопротивления R1 100 кОм.

Список радиоэлементов

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

16.04.2014

Определение количественных показателей влажности газовых сред, жидкостей, твердых и сыпучих тел – востребованная задача практически для всех сфер промышленности, хозяйственной и научной деятельности, различного типа производств. Все методы определения влажностных показателей делятся на прямые и косвенные. Прямой способ подразумевает непосредственное отделение сухого вещества в исследуемом материале от влаги. Принцип косвенных методов заключается в измерении физических величин, имеющих функциональную связь с влажностью вещества или материала.

Необходимость беспрерывно производить замеры, контролировать и регулировать содержание влаги в различных веществах способствовало разработке и развитию компактных сенсорных приборов – датчиков влаги. Они значительно облегчили процесс круглосуточного детектирования концентрации молекул воды в анализируемом материале. Современные сенсорные датчики должны отвечать целому ряду требований: помимо высокой точности, чувствительности и быстроты операций, данные устройства должны иметь широкий измерительный диапазон, охват нескольких порядков анализируемой величины, стабильность показаний.

Области применения датчиков

Измерение показателей влажности необходимо в таких сферах деятельности, как:

• химическое производство;
• транспортировка топлива;
• фармацевтика;
• полимеризация;
• животноводство;
• хранение продукции;
• обслуживание холодильных и морозильных камер;
• лесоперерабатывающая промышленность;
• работа пищевых цехов;
• сельскохозяйственная отрасль и т. д.

Виды влажностных датчиков

Датчики для замеров влажности классифицируются по различным критериям, например по:

• агрегатному состоянию и структурным особенностям материала, который подлежит анализу;
• условиям и режиму эксплуатации – существуют датчики для беспрерывных и дискретных контрольно-измерительных мероприятий;
• способу осуществления замеров – датчики имеют проточный и погружной тип;
• методу определения влажностных показателей.

Последний критерий поспособствовал выделению двух больших групп, пользующихся высоким спросом: сорбционные и сорбционно-импедансные датчики.

Сорбционные датчики влажности

Для определения и контроля незначительных концентраций влаги применяются датчики сорбционного типа, принцип измерения в которых основывается на пъезосорбционных и сорбционно-импендасных способах мониторинга.

Главный функциональный элемент таких датчиков – сорбционный слой, который при контакте со средой исследования способен поглощать пары воды. Часто в роли такого слоя выступает полимерная пленка или материал на основе высокопористых неорганических оксидов.

Чем выше размерные характеристики внутренних полостей материала, тем большей эффективностью обладает датчик на его основе. Поэтому оптимальными анализирующими элементами служат пористые и мезопористые материалы. При этом важно отметить, что увеличение влагочувствительности датчиков с помощью такого материала так же может сопровождаться увеличением погрешности производимых замеров. В связи с этим разработка и производство датчиков влажности требует особого контроля и соблюдения технологий формирования чувствительного элемента.

Сорбционные датчики, задействуемые при мониторинге влажности различных сред, могут иметь структуру по типу «сэндвич». Изготовление датчика осуществляется на подложках из стеклокристаллического материала или поликорового наполнителя. Электроды выполняются на основе никеля с ванадиевым покрытием. Чувствительная гидрофильная прослойка представлена специальной наноструктурированной пленкой из полимеров, ее формирование происходит по особой технике. На прослойку из полученной диэлектрической пленки наносится особо тонкое золотое покрытие (мембраны данной пленки способны селективно пропускать молекулы воды), которое берет на себя функционал второго электрода. Обеспечивает надежное исполнение конструкции непосредственное расположение контактов на уровне нижнего электрода. Постоянная времени имеет значение:

• для датчика относительной влажности – 1-2 с;
• для датчика микровлажности – от 10 до 180 с, такой широкий диапазон обуславливается зависимостью от уровня исследуемой концентрации влаги.

Особая технология термической обработки влажностного датчика помогает снизить значение погрешности устройства до 2 %.

Датчик влажности «сэндвич» типа:

1. Основание датчика;

2. Нижние электроды;

3. Пленка сорбента;

4. Верхний электрод.

Работа датчиков влажности часто сопряжена с применением термоизмерителей. Это помогает повышать точность исследований среды, обеспечивать корректный пересчет единиц измерения и получать максимально точные значения абсолютной и относительной влажности.

Особая роль отводится датчикам относительной влажности при мониторинге атмосферы, климата производственных помещений и жилых построек. Также без данных датчиков не обходится работа гидрометеорологического оборудования, в том числе зондов.

Датчики, применяемые для мониторинга параметров микровлажности, востребованы при исследованиях особо чистых активных газов и их сред (примером может служить аргон или кислород). Поэтому без такого измерительного оборудования не обходятся отрасли электроники, лабораторные корпуса и т. д.

Сорбционно-импедансные датчики

Определить концентрацию влаги в различных средах помогают датчики сорбционно-импедансного типа. Преимуществом этих устройств мониторинга влажности служат:

• высокие показатели чувствительности;
• простая технология изготовления;
• компактность изделия.

Работа такого датчика основывается на зависимости комплексного сопротивления сорбционного слоя от объема поглощенной им влаги. Такие датчики влажности могут иметь два варианта конструктивного исполнения:

• вышеописанная структура «сэндвич»;
• с планарным размещением электродов, часто имеют форму гребенки.

Градуировочные характеристики сорбционно-импедансных средств измерения влажности зависят от сорбционного материала. Изначально в роли сорбционного слоя выступали гигроскопичные ионообразующие добавки в виде солей (такие как хлорид лития, фторид бериллия и т. д.). Измерительным датчикам подобного вида свойственны недочеты – низкая стабильность показателей, меньшая чувствительность и большая вероятность погрешностей.

Основываясь на этом, современные производители редко используют ионообразующие соли как самостоятельный влаговосприимчивый агент. Гигроскопичная соль в производстве датчиков получила вспомогательную роль – ее используют в качестве материала пропитки или добавки для повышения влагочувствительности. Основное применение в различных сферах получили импедансные измерители с полимерными сорбентами (как органическими так и неорганическими) на основе оксидов металлов. Покрытие может иметь тонкопленочный или толстопленочный вариант.

Процесс совершенствования датчиков влажности

Как в отечественном, так и в зарубежном производстве датчиков влажности просматривается эффективное направление развития – разработка инновационных влагочувствительных композиций. В целом, для этой отрасли характерны следующие особенности:

• неминуемый переход на групповую планарную микроэлектронную технологию производства (применяется как тонкопленочная, так и толстопленочная);
• создание мультизадачных устройств, например, интегральных датчиков температуры и влажности. Эксплуатация таких датчиков не только способствует повышению точности производимых замеров, но и приводит к упрощению процесса их калибровки;
• приведение к единой системе конструкций датчиков влажности, а также средств обработки сигналов на фоне широкого применения микропроцессоров.

Существование широкого многообразия моделей датчиков влажности можно объяснить тем, что ни один из них не является универсальным. Каждый тип датчика имеет свою специфику, обладает преимуществами и недостатками, а значит выбор устройства должен происходить с учетом особенностей его применения.

Мониторинг влажности с контрольно-измерительными приборами ЭКСИС

На основе изготавливаемых датчиков влажности АО «Экологические сенсоры и системы» разрабатывает автоматизированные системы многоканального типа, а также стационарные и мобильные варианты контрольно-измерительных приборов. Последние используются для мониторинга относительной влажности и температурных показателей (устройства линейки ИВТМ-7), при исследованиях микровлажности газов (линейка ИВГ-1).

Стоит отметить, что в изданиях научно-исследовательского и технического назначения понятие датчика влажности подразумевает устройства, в составе которых присутствует влагочувствительный элемент (сенсор) и электросхема для приема и преобразования сигнала от сенсора в необходимое значение. Именно поэтому устройства мониторинга часто именуют датчиками.

Разрабатываемые устройства задействуют при решении задач в условиях производств, обеспечения условий комфортной и безопасной деятельности работника в различных промышленных сферах. Примером может служить задействование приборов измерения в электронике, на химических предприятиях, атомных станциях и т. д.

Производимые приборы обладают всеми необходимыми характеристиками для объединения устройств в общую измерительную сеть. Комплектация такой сети может включать многоканальные и одноканальные приборы, сетевые и портативные модели, измерительные преобразователи. Работе инновационных измерительных систем характерно распределенная схема управления, удаленный контроль (в том числе посредством сети Интернет) и другие современные технологии контрольно-измерительных мероприятий.

Вода может стать источником большой беды, если вовремя не узнать о ее появлении там, где ее не ждут и где она нежеланна, особенно в больших количествах.

Помочь человеку в подобных случаях и избежать многих неприятностей может индивидуальный сигнализатор появления влаги, который можно выполнить очень компактным. Схема сигнализатора показана на рис.1.

На германиевых транзисторах VT1, VT2, резисторах R1, R2, конденсаторе С1 и головке громкоговорителя собран тональный генератор, который при исправных деталях начинает звучать сразу, как только на него будет подано напряжение питания. Питание на генератор подается через ключевой каскад на кремниевых транзисторах VT3, VT4, резисторах R3...R5 и датчике появления влаги. Многие жидкости обладают электропроводностью и, следовательно, сопротивлением электрическому току. Так, водопроводная вода имеет омическое сопротивление в несколько килом.

Следовательно, попадание влаги на датчик эквивалентно появлению между базой транзистора VT3 и "минусом" цепи питания некоторого сопротивления, которое делает электрический потенциал базы транзистора VT3 отрицательным по отношению к эмиттеру этого транзистора. Такое включение для транзистора VT3 является открывающим, и через него начинает течь ток, который в свою очередь приводит к открыванию транзистора VT4. Оба транзистора, открывшись, входят в режим насыщения, электронный ключ замыкается, и через него на тональный генератор подается питание. Начинает звучать головка громкоговорителя (0,5 ГДШ-2), тональность и громкость звука которой способны разбудить даже крепко спящего человека. В дежурном (ждущем) режиме сигнализатор потребляет ток значительно меньше 1 мкА. В режиме сигнализации (при попадании воды на датчик) прибор потребляет ток не более 80 мА. Так как прибор очень экономичен в дежурном режиме, то в наиболее ответственных случаях установка в него выключателя питания даже нежелательна.

Чтобы убедиться, что сигнализатор включен и работоспособен, достаточно замкнуть пластины его датчика влажными пальцами руки или чем-то металлическим. В случае исправности он тут же подаст "голос".

Область применения сигнализатора появления влаги не ограничена охранными функциями. Он может следить за

наполнением жидкостью каких-либо емкостей, или его можно использовать в качестве электронной "няни". В последнем случае датчик (датчики) подкладывают под пеленки. Как только пеленки намокнут "няня" тут же об этом просигнализирует. Для приведения электронной "няни" в дежурное положение достаточно протереть датчик какой-либо салфеткой или ветошью.

В качестве VT1 можно использовать МП11А (МП35 ...МП38), а в качестве VT2 -МП39 (МП16...МП42Б), т.е. любые низкочастотные маломощные германиевые транзисторы соответствующей проводимости. В качестве VT3 применен КТ203, в качестве VT4 - КТ814. Радиатор для VT4 не нужен. В качестве головки громкоговорителя подойдут любые мощностью 0,25...2 Вт с номинальным электрическим сопротивлением 8 Ом. Монтаж прибора может быть как навесным, так и с использованием печатной платы, размеры и конфигурация которой зависят от размеров примененных деталей и корпуса прибора.

В качестве датчика прибора можно использовать пластину одностороннего фольгированного материала, на которой вытравлены контактные полоски (рис. 2). Можно вырезать полоски датчика из медной фольги и наклеить их на резину, кожу и т.п. Полоски следует залудить припоем. Некоторые из авторов советуют этого не делать, так как внешний вид от этого становится кустарным. Но если залуживать хорошо прогретым, зачищенным и облуженным жалом мощного паяльника хорошо зачищенные и натертые канифолью печатные проводники, используя малые количества припоя (это своеобразное "ноу-хау"), то качество покрытия получается отличным. Вместе с этим устраняются дефекты печатных проводников из-за микротрещин, и повышается срок службы печатных плат, особенно тех, которые из-за применения нельзя покрывать защитным лаком.

Чем меньше будет расстояние между полосками датчика, тем выше вероятность того, что сигнализатор сработает даже от попадания на датчик нескольких капель дождя. Длина проводников, соединяющих датчик с прибором, может быть от нескольких десятков сантиметров до нескольких сотен метров.

С.Н. Коваленко, г. Запорожье