Датчик вологості повітря для домашньої метеостанції
Датчик вологості повітря для домашньої метеостанції.
Питання вимірювання вологості в приміщенні є досить актуальним. Вологість має великий вплив на організм людини. Згідно санітарних норм, в житловому приміщенні оптимальним розміром є вологість в інтервалі 30-45% в холодну пору року і 30-60% в теплу пору. Існує кілька методів вимірювання вологості. Основними є гігроскопічний і психометрический методи.
Гігроскопічний метод заснований на властивості деяких матеріалів змінювати свої лінійні розміри в залежності від зміни вологості повітря. Такий метод дозволяє вимірювати вологість повітря в межах від 30% до 100%. Зазвичай для цих цілей використовують знежирений людську волосину. Волос закріплюють на підставі і з'єднують його з рухомою стрілкою. При вимірюванні вологості довжина волоса змінюється, а стрілка переміщається по шкалі, проградуірованной в відносних одиницях вологості (відсотках). Такі прилади називаються гігрометри (рис.1). Так само існують гігрометри на основі органічної плівки, електролітичний, керамічний, конденсаційний гігрометри.
Класичні гігрометри, побудовані на використанні волоса, застосовують в основному для вимірювання вологості при негативних температурах, де інші методи неефективні, тому даний метод для контролю вологості в приміщенні нам нецікавий. Більш точним способом, в порівнянні з гігрометріческім, є психометрический спосіб визначення вологості.
Психрометричний метод заснований на вимірюванні різниці двох температур. Прилад, який працює на цьому принципі, називається психрометр і складаються з двох термометрів. Один термометр «сухий», інший - «вологий». Для того, що б другий термометр був вологим, він обертається в бавовняну тканину, яка опускається в воду і є постійно вологою за рахунок капілярного ефекту. Випаровуючись, вода охолоджує вологий термометр. В результаті цього виходить різниця між показаннями «сухого» і «вологого» термометрів. Виходячи з різниці температур «вологого» і «сухого термометрів», і температури «сухого» термометра - тобто температури в приміщенні, за спеціальними таблицями, які називаються психометрическими (табл.1) визначають відносну вологість повітря.
Як приклад випускається промисловістю Психрометричний гігрометра, можна назвати прилад ВІТ-1 (рис.2). Він має два спиртових термометра з межею вимірювання 0 .... +24 градуса. Один з термометрів постійно знаходиться у вологому стані - для цього існує спеціальна ємність, яка заповнюється водою. У ємність опускається трубка з бавовняної матерії і надівається на колбу термометра. На корпус психрометра нанесені таблиці, за якими відразу визначається вологість в приміщенні.
На мою думку, психрометрический спосіб, як найбільш точний, є гарною альтернативою ємкісному датчику для вимірювання вологості в приміщеннях - тобто при температурах вище нуля. Природно, ми не будемо для цього використовувати спиртові термометри, а підемо цікавішим шляхом.
В основі нашого саморобного датчика залишається той же принцип психрометра - виміряти температуру «сухого» і «вологого» датчиків і на підставі їх свідчень витягти з таблиці потрібне значення. Таку обробку можна виконати на мікроконтролері, що власне ми і будемо робити, модернізувавши універсальний термометр. забезпечивши його функцією вимірювання вологості - психрометром.
Отже, перша «частина» психрометра у нас вже є - як Ви бачите, в термометрі застосовуються датчики температури DS18B20, один з яких вимірює температуру всередині приміщення. Він якраз і буде «сухим» термометром. Другий (вологий) термометр, необхідно додати в схему (рис.3. - вводяться нові елеметов виділені червоним кольором). Він підключається до висновку 5 мікроконтролера. Цей датчик необхідно обгорнути тканиною, яка постійно повинна бути у вологому стані. Для забезпечення надійної вологозахисту, необхідно на кожен висновок датчика, а потім на його корпус, одягнути термоусадочні трубку.
Рис.3. Модернізована принципова схема універсального термометра з функцією психрометра.
У мікроконтролері запрограмовані значення, занесені в таблицю 1. - діапазон температур сухого термометра 15 ... .30 градусів і різниця показань між сухим і вологим термометром 0 ... 9 градусів. При бажанні, коригуванням таблиці, прошита в мікроконтролері, цей діапазон робочих температур градусів можна зрушити в ту чи іншу сторону.
При виході за межі 15 ... .30 градусів і при різниці температур понад 9 градусів, на дисплей виводиться повідомлення про помилку. Так само показується помилка, якщо температура «вологого» датчика стає більше температури «сухого» датчика.
У режимі психрометра, на дисплей постійно виводиться значення «сухого» і «вологого» датчиків і в разі, якщо температура вийде за зазначені межі і буде виведено повідомлення про помилку, все одно виходячи з цих значень за розширеною психометрической таблиці можна обчислити значення вологості. Якщо, зрозуміло, вона лежить в області визначення таблиці. А взагалі планується розширити таблицю значень вологості в мікроконтролері на діапазон 1 ... 30 градусів.
Може статися ситуація, коли показання «сухого» і «вологого» датчиків однакові. А це можливо в двох випадках - коли вологість повітря 100% або відсутня вода в ємності «вологого» датчика. Тому, при показаннях вологості 100% потрібно перевірити, що «вологий» датчик дійсно змочений водою.
Перевірка працездатності і коректності показань. Для цього нам знадобитися контрольний термометр, а ще краще - психрометр, наприклад, той же ВІТ-1. Підключіть «вологий» датчик DS18B20 до універсального термометру, в мікроконтролер якого була залита прошивка версії 1.1. Оберніть датчик вологою тканиною. «Сухий» (кімнатний) датчик, теж, зрозуміло, повинен бути підключений. Увімкніть режим психрометра (для переходу в цей режим необхідно короткочасно натиснути кнопку S4) і хвилин через 15 запишіть, показники температури і вологості, які відображаються на дисплеї. Порівняйте з контрольного приладу свідчення «сухого» і «вологого» датчиків. Обчисліть по таблиці психрометра ВІТ-1 (або по таблиці 1) значення вологості повітря. Якщо показання температури «сухих» і «вологих» датчиків на нашому пристрої та приладі ВІТ-1 збігаються, то на дисплеї повинно відображатися саме обчислене по психометрической таблиці показання. Якщо, наприклад - свідчення «сухого» датчика +22 градуси, вологого +16 градусів, то вологість повинна бути 54% (рис.4). Якщо одна з температур змінитися, то відповідно, змінюватися і свідчення вологості. Зручність нашого електронного психрометра в порівнянні з ВІТ-1 полягає в тому, що значення вологості повітря відразу відображається на дисплеї і його не потрібно обчислювати по психрометричні таблиці.
Рис.4. Режим психрометра в універсальному термометрі
Конструктивне виконання Психрометричний датчика може бути будь-яким. Головна умова, що б «сухий» і «вологий» датчики перебували в одній температурної зоні і в той же час потрібно уникнути впливу вологи на «сухий» датчик.
Порівняємо достоїнства і недоліки нашого психометричного датчика вологості повітря в порівнянні з датчиком місткості HIH-4000:
переваги:
- доступність, тому що HIH-4000 щодо «дефіцитна». Наприклад, у нас, їх можна придбати тільки під замовлення
- вартість двох температурних датчиків DS18B20 істотно нижче за вартість одного датчика HIH-4000
- спрощення програмного коду мікроконтролера - все датчики HIH-4000 поставляються з унікальним паспортом значень, що вимагає введення в програму спеціальної коректує функції під конкретний датчик
недоліки:
- великі, в порівнянні з HIH-4000 розміри, особливості конструктивного виконання
- необхідність використання ємності з водою для «вологого» датчика і стеження за її наявністю.
- неможливо вимірювати значення вологості при температурі нижче +5 градусів
За вимірами вологості так само рекомендую почитати ось ці статті:
Вимірювач температури і вологості на датчику SHT21
Вимірювач температури і вологості на датчику DHT11
Тепер розглянемо, як конструктивно реалізувати датчик вологості, побудований за Психрометричний методу. Для цієї конструкції нам знадобитися корпус від комп'ютерної розетки (RJ-45), несправна одноразова запальничка, бавовняна тканина, з'єднувальний кабель не менше чотирьох жив, два датчика DS18B20, Термозбіжна трубка. Звичайно, підійде будь-який відповідний за розміром корпус. Замість корпусу запальнички так само можна задіяти будь-яку невелику "ємність". Наприклад, був випробуваний варіант з кришкою корпусу від реле РЕЗ-22. Невеликий фотозвіт послідовності виготовлення датчика вологості.
Запальничку (вона обов'язково повинна бути порожньою) розбираємо і обрізаємо за розміром так, що б вона щільно входила в корпус комп'ютерної розетки:
Трохи сточуємо зверху надфілем перегородку, робимо невеликий бічний паз під температурний датчик в корпусі запальнички і заправляємо в її шматочок тканини, як показано на фотографії:
На перегородку, в зроблений надфілем паз, укладаємо датчик DS18D20 і фіксуємо його термоклеем:
Аналогічним способом, як і раніше, укладаємо другий шматочок тканини. При цьому температурний датчик виявиться між двох смужок:
Закріплюємо конструкцію в корпусі розетки і фіксуємо її термоклеем. «Вологий» датчик готовий:
Далі закріплюємо в корпусі «сухий» (він же кімнатний) термодатчик. Він встановлюється на кришці розетки за допомогою термоклею навпаки невеликого віконця:
Виконуємо з'єднання датчиків (висновки харчування з'єднуються разом, а сигнальний висновок датчика індивідуальний - всього чотири дроти) і підключаємо їх до сполучного кабелю:
Можна було б вже збирати корпус. Але це ми поки робити не будемо. Для початку потрібно переконатися в працездатності датчиків і їх коректній роботі. Встановіть ємність з водою вертикально, заповніть її водою (обидві половинки корпусу запальнички) за допомогою шприца. Підключіть кабель до нашого універсального термометру, в мікроконтролер якого була залита прошивка версії 1.1. Увімкніть режим психрометра і хвилин через 20-30 запишіть, показники температури і вологості, які відображаються на дисплеї.
Зберіть корпус і приблизно через півгодини знову зніміть показання. Якщо вони приблизно відповідають попереднім, значить, все нормально. Якщо показання вологості сильно зросли, то це означає, що на «сухий» датчик впливає волога від «вологого» датчика. В цьому випадку, «сухий» датчик доведеться висунути через віконце з корпусу. Перевірити коректність показань «сухого» датчика дуже просто - вони повинні відповідати показаннями температури контрольного термометра, тобто кімнатній температурі. Якщо показання «вологого» датчика викликаю сумніву, то для перевірки його необхідно витягти з корпуса і загорнути у вологу тканину. А ще краще таку перевірку провести до установки датчика в корпус. У будь-якому випадку, для порівняння можна скористатися контрольним термометром або психрометром зі спиртовими термометрами, наприклад, тим же ВІТ-1. Врахуйте, що на зволоження датчика істотно впливає матеріал тканини - вона повинна мати дуже добре просочується здатність.
Якщо все нормально, показання на дисплеї відповідаю контрольному психрометрами, то залишилося тільки вертикально закріпити датчик в потрібному місці і наш електронний психрометр готовий:
