Датчик уровня влажности

Что такое датчик влажности?

Датчик влажности представляет собой устройство, которое предназначено для измерения и преобразования относительной влажности в цифровой или стандартный сигнал. Он может использоваться в самых разных условиях и при выполнении самых разных задач, благодаря наличию специального защитного покрытия.  Другое название этого прибора – гигрометр.

Где применяются?

Гигрометры используются в жилых и нежилых помещениях для измерения состояния воздуха, в промышленных помещениях. Часто требуется отслеживать уровень влажности воздуха, который может влиять на здоровье человека, состояние используемой техники и оборудования. Они применяются также для автоматизации зданий, для контроля процессов сушки на химическом производстве, а также в сельскохозяйственной сфере.

Какие бывают?

Выделяют емкостные, резистивные, термисторные, оптические, электронные, канальные датчики влажности. Каждый тип применяется в зависимости от назначения, задач и конструктивных особенностей.

Купить датчики влажности в интернет-магазине compacttool

В нашем интернет-магазине большой выбор датчиков влажности разного типа. Мы предлагаем удобную и быструю доставку. В наличии датчики влажности почвы, датчики температуры и влажности, модули датчиков дождя и многие другие.

Искать в каталоге
Искать в этой группе

Innovative Sensor Te2

Центральный офис / склад

ул. Дзержинского, 40

ул. Советская, 173А

Николая Ершова, 28

ул. Терешковой, 22А

Красноярский Рабочий, 104

Максима Горького, 65А

Семьи Шамшиных, 66

ул. Салмышская, 71

Большая Горная, 353

проспект Гагарина, 1

переулок 1905 года, 9

ул. Большая, 88

Московский пр-кт, 97

Датчики влажности – устройства, преобразующие показатели относительной влажности воздуха в определённые величины (обычно ёмкостное значение).

Исходя из принципа работы, ДВ бывают оптическими, ёмкостными, термисторными и резистивными.

Чувствительным элементом в датчиках влажности зачастую выступает полиамид.

Бывают датчики, имеющие выходные сигналы по напряжению, которое пропорционально значению влажности. Это многослойные чувствительные элементы с чередованием полимера и губчатой платины, которые наносятся на кремниевую подложку для нормализации и усиления получаемых сигналов.

Посмотреть и купить товар вы можете в наших магазинах в городах: Москва, Санкт-Петербург, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Брянск, Владимир, Волгоград, Вологда, Воронеж, Екатеринбург, Иваново, Ижевск, Иркутск, Йошкар‑Ола, Казань, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курган, Курск, Липецк, Набережные Челны, Нижний Новгород, Новосибирск, Омск, Орёл, Оренбург, Пенза, Пермь, Псков, Ростов-на-Дону, Рязань, Самара, Саранск, Саратов, Смоленск, Ставрополь, Тверь, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Хабаровск, Чебоксары, Челябинск, Ярославль.
Доставка в пункты выдачи заказов Яндекс Доставка, СДЭК, Л-Пост, Boxberry, 5Post, транспортными компаниями DPD и «Деловые Линии», а также Почтой России в Тольятти, Хабаровск, Владивосток, Махачкала, Новокузнецк, Чебоксары, Калининград, Улан-Удэ, Сочи, Сургут, Нижний Тагил, Чита, Владикавказ, Грозный, Мурманск, Тамбов, Петрозаводск, Нижневартовск, Новороссийск, Йошкар-Ола и еще в более чем 1000 городов и населенных пунктов по всей России.

Товары из группы «Датчики влажности» вы можете купить оптом и в розницу.

Ответственный подход к измерению относительной влажности

Время на прочтение

Этой статьей мы продолжаем рассказывать о датчиках от швейцарской компании IST. Не так давно были опубликованы посты о датчиках электрической проводимости воды и датчиках скорости потока жидкостей и газов, сегодня очередь дошла до относительной влажности.

Статья посвящена высокоточным датчикам серии HYT. Приводится описание устройства датчика и чувствительного элемента, подробно разбирается порядок сопряжения датчика с микроконтроллером, приводится пример разработки.

Обзор

Стандартные модели HYT — это три датчика для измерения температуры и относительной влажности, построенные на базе одного и того же чувствительного элемента, но выполненные в разных корпусах.

О других вариантах корпусировки поговорим ниже, а пока приведем основные характеристики датчиков HYT.

Понятно, что столь высокие точность и стабильность не пригодятся в домашней метеостанциитм. Датчики HYT используются в промышленности — в бытовой технике, в процессах, которые связаны с сушкой, испарением и перегонкой, в анализаторах остаточной влажности различных материалов, в медицинской технике, в системах вентиляции и в других «ответственных приложениях».

Чувствительный элемент

Как и большинство современных датчиков относительной влажности, датчики HYT имеют емкостный чувствительный элемент. Принципы работы преобразователей «влажность-емкость» и их преимущества описаны в огромном количестве источников, напомню главное.

Емкостный датчик представляет собой керамическую подложку, на которой последовательно располагаются нижний проводящий электрод, абсорбирующий влагу полимер и верхний электрод. Выходная характеристика преобразователя определяется типом полимера, а также его толщиной и площадью:

εo — Электрическая постоянная. Мне лень даже приводить её значение, суть в том что оно является константой
εr — Диэлектрическая проницаемость полимера, изменяющаяся пропорционально количеству поглощенной влаги
A — Площадь полимера
d — Толщина полимера

В зависимости от назначения чувствительного элемента выпускаются преобразователи с различными характеристиками, выполненные на базе полимеров с различными параметрами.

Например, для метеозондов и некоторых других приложений важным требованием является высокое быстродействие. Сокращение времени отклика чувствительного элемента достигается за счет уменьшения толщины полимера, таким образом у датчика P14 Rapid обеспечивается время отклика менее 1.5 сек. Другой пример — датчики MK33, предназначенные для работы с маслами. Здесь за счет увеличения площади чувствительного элемента увеличивается крутизна выходной характеристики, а значит и разрешение датчика.

IST выпускает около десятка различных емкостных преобразователей. Интересующихся приглашаю пройти по ссылке на их обзор, а мы возвращаемся к цифровым датчикам HYT.

Структура датчиков HYT

Использование «голого» чувствительного элемента оправдано в очень немногих случаях. Как правило, проще и выгоднее использовать интегральный модуль, в котором помимо емкостного преобразователя уже предусмотрены датчик температуры, схемы термокомпенсации и обработки сигнала, а также цифровой или аналоговый интерфейс. Такие цифровые датчики имеют заводскую калибровку и не требуют дополнительной настройки.

Цифровые датчики температуры и относительной влажности производятся в разных ценовых сегментах. Датчик, подходящий под описание из предыдущего абзаца, может стоить и 2 доллара, и 150 долларов. Такая разница между дорогими и дешевыми датчиками объясняется тем, что цифровые датчики различаются не только точностью, быстродействием и повторяемостью результатов измерений, но и другими характеристиками, обеспечить которые не так просто. Это долговременная стабильность работы, возможность применения датчика при очень низкой или очень высокой влажности и устойчивость к воздействиям внешней среды. Чтобы понять, почему перечисленные характеристики оказывают большое влияние на стоимость компонента, обратимся к особенностям производства.

Одной из главных сложностей производства цифровых датчиков относительной влажности является несовместимость некоторых процессов производства емкостного чувствительного элемента и полупроводникового производства (создания КМОП-структуры, содержащей датчик температуры, схему обработки сигнала и т.п). Технологии не позволяют полностью сохранить характеристики емкостного преобразователя, если он выполнен не отдельно, а на той же подложке, что и полупроводниковая структура. Поэтому изготовление датчика, совмещающего емкостный элемент и цифровую схему, всегда подразумевает компромисс между стоимостью производства и характеристиками конечного изделия.

При производстве датчиков HYT емкостный SMD-преобразователь и интегральная схема изготавливаются отдельно друг от друга, отдельно тестируются, и только после этого устанавливаются на общей подложке и соединяются проводами.

За счет уменьшения взаимного влияния ИС и емкостного датчика, использования почти не поглощающих влагу материалов, золотых проводников, а также применения других мер по повышению качества, на цифровом модуле удается добиться точности, близкой к точности отдельного преобразователя «влажность-емкость».

Калибровка датчиков HYT

Стандартная заводская калибровка проводится по девяти точкам при трех значениях температуры:

После калибровки проводятся контрольные измерения. Стандартные контрольные точки:

Здесь самое время напомнить об одной из главных фишек IST: по запросу заказчика производитель изготавливает самые разные модификации своих датчиков. Поставляются датчики с измененными характеристиками, изделия в нестандартных корпусах и, конечно, датчики с нестандартной калибровкой. Зная специфику условий применения конечного изделия, можно, к примеру, заказать датчик HYT с калибровкой от 0 до 50% RH со сдвигом +2% RH на всем диапазоне.

Подобные модификации мало влияют на цену и сроки поставки и, что особенно приятно, доступны для малотиражных изделий.

Корпус датчиков HYT

Приведем описание датчиков серии HYT.

Самый простой модуль — HYT 271 — имеет размер 5 на 10 мм и состоит из емкостного преобразователя, залитой «кляксой» интегральной схемы и дополнительных конденсаторов. В отсутствии защитного фильтра достигаются максимальное быстродействие и минимальная цена.

Цифровой датчик HYT 221 имеет ту же начинку, что и HYT 271, но покрыт защитным фильтром, который позволяет использовать датчик в том числе при наличии брызг воды.

Датчик HYT 939 также отличается только типом защитного фильтра — компоненты помещаются под круглый металлический корпус, на верхней стороне которого расположено закрытое мембраной отверстие. Для заказа доступен модуль HYT 939, устойчивый к давлению до 16 бар.

В соответствии с требованиями заказчика могут быть изменены и структура, и габаритные размеры датчика. Вместо стандартного интерфейса I2C датчик может быть оснащен 5-выводным SPI, а дополнительно к цифровому интерфейсу могут быть добавлены дополнительные квазианалоговые линии. Выводы датчика могут быть удлинены, оснащены коннектором. Производятся датчики в специализированных корпусах, например как на фото.

Заказ датчиков с модифицированными размерами или нестандартной конфигурацией возможен в том числе для мелкосерийного производства.

Порядок сопряжения датчика и управляющего контроллера

Стандартным интерфейсом подключения датчика HYT к управляющему микроконтроллеру является шина I2C. Контроллер является мастером, датчик — ведомым узлом.

В аппаратных характеристиках интерфейса датчика нет ничего примечательного — поддерживаются скорости от 100 до 400 кГц и стандартный 7-битный адрес на шине. Адрес датчика по умолчанию — 0x28, адрес может быть изменен на значение от 0x00 до 0x7F. Данные передаются в режиме MSB, т.е. сначала идут старшие биты.

Не вижу смысла приводить описание порядка работы самой шины I2C. Также упускаю описание типовой схемы включения, требований модуля HYT по таймированию на I2C, описание процедуры смены адреса датчика. Всё это можно найти в википедии и документации.

Остановимся на процедуре сбора данных с датчика HYT — последовательности из двух команд для управления модулем.
В отсутствии запросов от микроконтроллера, датчик находится в режиме сна. По приходу команды ‚Measuring Request‘ (MR) он просыпается, начинает цикл измерений и формирует посылку с данными для управляющего контроллера. Подготовка данных занимает от 60 до 100 мс, после этого на датчик должна поступить команда ‚Data Fetch‘ (DF), по которой данные из выходного регистра датчика передаются на микроконтроллер.

Команда ‚Measuring Request‘ не подразумевает ни чтения, ни записи данных. Команда содержит только из заголовочного пакета — адреса ведомого узла и бита RW, выставленного в «0», т.е. на запись.

Команда ‚Data Fetch‘ (DF) служит для чтения данных. В заголовочном файле содержится адрес датчика и бит RW, установленный в «1», т.е. на чтение.

Максимальное количество байт, которые должны быть приняты на микроконтроллере — четыре. Первые два байта содержат данные об относительной влажности, третий и четвертый — о температуре.

Микроконтроллер может запросить только два первых байта (только данные о влажности) или три первых байта (данные о влажности и старшие биты значения температуры).

И на влажность, и на температуру приходится по 14 бит. Посылка Data Fetch также содержит два бита состояния:

Обработка принятой посылки состоит в вычислении значений температуры и относительной влажности из входных данных. Сначала маскируются статусные биты, далее из полученных данных вычисляются абсолютные значения температуры и относительной влажности:

Пример включения датчика HYT

От теории к практике. Рассмотрим задачу опроса датчика HYT с отладочной платы EFM32ZG-STK3200 от Silicon Labs, подробнейшее описание которой приводилось в одной из предыдущих статей.

В этот раз на отладочной плате нам понадобятся встроенный ЖК-дисплей, механическая кнопка и 20-контактный разъем, на котором доступны сигналы I2C, питание и земля.

Подключаем линии в соответствии с распиновкой датчика и разъема платы.

Для работы шины I2C на обеих её линиях должны быть предусмотрены подтягивающие резисторы. В документации на датчик HYT указаны номиналы 2.2 кОм, и превоначально схема была собрана с использованием двух отдельных сопротивлений. Однако в процессе отладки выяснилось, что для опроса датчика, подключенного на короткие выводы, достаточно использовать встроенные подтягивающие резисторы микроконтроллера EFM32. Их номинал равен 40 кОм.

В данном случае датчик питается от линии питания МК (3.3 В), но допустимы и пятивольтовые уровни.

Для работы с отладочной платой EFM32ZG-STK3200 используется среда Simplicity Studio — платформа, содержащая IDE, примеры программ, документацию и различные утилиты для разработки приложения. Её описание также можно найти в предыдущих статьях, здесь я просто скажу что это бесплатная программа, которую SiLabs распространяет для работы с SiLabs-овскими же контроллерами.

При создании программы используется готовый драйвер I2C от SiLabs и библиотека glib, предназначенная для работы со встроенным на плану ЖКИ. Для коммуникации с дисплеем используются интерфейс SPI и часы реального времени, однако работа с этим модулями скрыта в недрах glib.

Программа реализует простейший аглоритм опроса датчика HYT — по нажатию на кнопку PB1 мы получаем от датчика данные о температуре и влажности, пересчитывам полученные значения в градусы Цельсия и проценты и выводим их на экран. В случае, если при приёме данных произвошла ошибка, выводится соответствующее сообщение.

Полные исходники программы доступны наgithub. Ниже разберем лишь ту часть программы, которая имеет отношение к опросу датчика, т.е. к коммуникации по I2C.
В основном используются стандартные функции библиотек от Silicon Labs — основной пакет em_i2c и его надстройка i2cspm.

Для коммуникации с датчиком, т.е. реализации команд Measuring Request и Data Fetch, служат одноименные функции.

Функция performDFCommand, помимо указания на прием четырехбайтного пакета с записью данных в массив I2CdataToRead, содержит алгоритм обработки принятой посылки. В результате преобразования в переменные temperature и humidity записываются искомые значения.

При работе с готовыми библиотечными функциями для I2C от SiLabs существует два основных способа испортить себе жизнь:

: Посчитать, что в HYT_ADDR следует записывать 0x28, т.е. указанный в документации адрес датчика.
Напомню, что адрес на шине I2C — это семь бит, т.е. под 0x28 в документации подразумевается 010 1000. Логично было бы дополнить это число старшим битом «0» и всё ещё имееть 0x28, однако библиотечная функция почему-то считает, что адресом являются не младшие, а старшие 7 бит. Таки образом, вместо

#define HYT_ADDR 0x28

#define HYT_ADDR 0x50

#define HYT_ADDR 0x51

: Посчитать, что I2C_FLAG_READ — это «0», а I2C_FLAG_WRITE — это «1», что предусмотрено протоколом шины. То есть на самом деле всё так и есть, в заголовочном байте посылки I2C предусмотрен один-единственный бит RW, который выставляется в «0» для записи данных и в «1» для чтения данных. Однако в недрах библиотеки em_lib прячутся вот такие коварные дефайны:

#define I2C_FLAG_WRITE 0x0001
#define I2C_FLAG_READ 0x0002

Так что не стоит при формировании структуры I2C_TransferSeq_TypeDef выставлять нули и единицы самостоятельно.

В остальном претензий к em_i2c и другим пакетам em_*** не возникало.

Между вызовами функций performMRCommand() и performDFCommand() должна быть предусмотрена задержка, за которую датчик формирует посылку с результатами измерений.

Функцию ReceiveDataAndShowIt(), выполняющую опрос датчика и вывод результатов измерений, мы вызываем из обработчика прерываний, который приведен ниже.

Здесь важно отметить, что данная программа выполняет весьма тривиальную задачу. Для измерения температуры и влажности воздуха, которые почти не изменяются во времени, подойдет любой недорогой датчик.

Выдающиеся характеристики серии HYT гораздо лучше иллюстрируются в динамике. На приведенном ниже видео показано насколько быстро датчик HYT-271 откликается на изменение влажности воздуха.

Если вы имели честь когда-нибудь наблюдать с какой скоростью реагирует на изменения влажности условный DHT22, то, конечно, почувствуете разницу.

P.S. Процессу создания прототипа, который демонстрируется на видео, посвящен цикл статей “Как перестать бояться и полюбить mbed”

Заключение

В заключении традиционно благодарю читателя за внимание и напоминаю, что вопросы по применению продукции, о которой мы пишем на хабре, можно также задавать на email, указанный в моем профиле.