Датчики влажности и содержания воды

Датчики влажности технологических органических жидкостей

Контроль содержания воды в технологических и органических жидкостях очень важен для повышения эффективности производственных процессов.

Вода в технологических жидкостях

Вода играет очень важную роль почти во всех известных реакциях. Скорость и степень завершенности реакций, как желательных, так и нежелательных, часто определяется количеством присутствующей воды. Несмотря на её важность как технологического параметра, которая сравнима с температурой и концентрацией реагента, измерение и регулирование содержания воды в общем случае более сложно. Наряду с необходимостью регулирования содержания воды в самом процессе, слишком большое или слишком низкое содержание воды может ухудшить качество некоторых изделий, а также отрицательно влиять на оборудование.

К чему приводит переизбыток содержания воды в технологических жидкостях

Регулировать содержание воды очень важно в оптимизации реакций полимеризации. Например, в полимеризации бутадиена и стирола, а в производстве полиэтилена высокой плотности избыток воды будет отравлять катализатор. Вода может вызывать коррозию технологических трубопроводов или замерзать в трубах, находящихся при низких температурах. Даже, так называемые, несмешивающиеся с водой жидкости, например, бензол и другие углеводороды могут растворять достаточное количество воды, что приводит к замерзанию при низких температурах.

Аналогично этому, масло, используемое в трансформаторах, может содержать достаточное количество воды, чтобы вызвать электрический пробой, ведущий к потерям или даже взрыву. Перечень процессов и изделий, для которых контроль содержания воды критически важен, очень широк. В табл.1 приведена лишь часть его.

Методы измерения содержания влаги в технологическом потоке

Несмотря на то, что имеется много лабораторных методов измерения содержания воды, большинство из них могут быть использованы только для определенных химических веществ. Имеется несколько методов широкого применения, и еще меньше пригодных для жидкостей. Измерения, выполняемые в лабораторных условиях, требуют экстракции пробы из процесса.

Опыт показывает, что эта процедура, особенно при измерении низких уровней влажности, может изменить количество влаги в пробе. Достаточно трудно технически реализовать контейнер для пробы, где влажность была бы в равновесии с содержанием влаги в пробе. Обычно контейнеры для пробы отдают значительное количество влаги в сухую пробу, но если контейнеры для пробы тщательно и полностью высушить перед использованием, то они могут извлекать значительное количество воды из пробы.

Эта проблему решают путем установки контрольно-измерительного оборудования на трубопроводную линию с технологическим потоком. Это позволяет осуществлять непрерывное измерение влажности независимо от атмосферных условий и представительности пробы в целом.

Прямое измерение давления паров воды в линии с жидкой органикой может выполняться эффективно путем использования датчиков влажности из оксида алюминия, которые предназначены для контроля по месту при погружении в жидкость или газ. В пределах определенных параметров содержание воды может быть определено непосредственно в линии, где измерение выполняется лучшим образом.

Принцип действия датчиков измерения влажности

Рис. I. Датчик из оксида алюминия состоит из тонкой алюминиевой полоски, которая анодирована для получения пористого слоя окиси алюминия. Этот слой является диэлектриком, импеданс которого изменяется в соответствии с количеством паров влаги, находящихся в равновесном состоянии в его порах. Очень тонкое покрытие из золота, нанесенное на него, по существу, образует конденсатор.

Этот слой является диэлектриком, импеданс которого изменяется в соответствии с количеством паров влаги, находящихся в равновесном состоянии в его порах. Очень тонкое покрытие из золота, нанесенное на него, по существу, формирует конденсатор. Пары воды быстро проходят через проницаемый слой золота и приходят в состояние равновесие с парами в диэлектрическом слое оксида. Это влияет на величину электрического импеданса датчика, которая может быть функционально связана с давлением паров воды. Так как поры оксидного слоя очень малы, то датчик избирательно откликается на небольшие молекулы воды и не реагирует на большинство органических углеводородов. При этом взаимные помехи минимальны.

Таким образом, датчик из оксида алюминия является первичным измерительным преобразователем, обеспечивающим электрический выходной сигнал, величина которого зависит от давления паров воды в окружающей среде. Это измеренное давление паров воды затем может использоваться для расчета массового содержания растворенной влаги в органической жидкости, используя закон Генри. В соответствии с законом Генри масса газа, растворенного в данном объеме растворителя при постоянной температуре, прямо пропорциональна давлению газа, с которым она находится в равновесии.

Согласно сказанному, содержание влаги в органической жидкости равно давлению паров воды в жидкости, умноженному на константу.

СW = KPW                     (1)
где:
СW = концентрация воды в жидкости;
PW = давление паров воды в жидкости;
K =   константа закона Генри.

Таким образом, измерение давления паров воды в жидкости и знание константы Генри позволяет выполнить прямой расчет концентрации воды в этой жидкости.

Для жидкостей, которые не подчиняются закону Генри, выполняется эмпирическая градуировка – зависимость полной проводимости датчика от известного содержания влаги в пробах. В общем случае жидкости с низкой электропроводностью дают идентичные значения полной проводимости, как в газовой, так и жидкой фазе, тогда как полярные жидкости дают более высокие значения полной проводимости датчика в жидкой фазе по сравнению с газовой фазой и, поэтому требуют градуировки по экспериментальным данным.

Применение закона Генри

Для неполярных жидкостей, которые имеют величины насыщения водой примерно 1 процент или менее по весу, для датчика из оксида алюминия обычно применим анализ на основе закона Генри. Для этих жидкостей может быть непосредственно определено абсолютное содержание влаги или процент насыщения.

Этот датчик может быть прямо погружен в жидкость, а измерение давления паров воды при известном значении константы закона Генри для данной жидкости позволяет рассчитать непосредственно содержание влаги в жидкости.

Для определения процента насыщения жидкости это уравнение может быть записано следующим образом

СS = KPS                       (2)
где:
СS =  концентрация насыщения водой;
PS =  давление насыщенных паров воды;

Исключение К из уравнений 1 и 2 показывает, что процент насыщения просто равен отношению фактического давления паров воды (точка росы) к давлению ее насыщенных паров при одной и той же температуре.

Процент насыщения равен

СW/СS∙100 = PW/PS∙100   (3)

Величины насыщения водой для ряда органических жидкостей имеются в литературе. Если величина насыщения для конкретной органической жидкости недоступна или если эта величина в литературе сомнительна, то она может быть определена экспериментально, как описано ниже.

Если концентрация насыщения СS известна для жидкости при конкретной температуре, то единственной величиной, которая требуется для определения абсолютного содержания влаги в жидкости – это давление паров воды, которое измеряется датчиком из оксида алюминия. Давление насыщенного пара PS при данной температуре доступно в любом справочнике. Тогда содержание влаги может быть рассчитано по формуле:

СW = (СS/PS)∙PW    (4)

Константа К закона Генри в общем случае является функцией температуры; поэтому величину СS следует определять при температуре выполнения измерений. (Для простых насыщенных угле-водородов температурный коэффициент константы К значительно ниже, чем в большинстве случаев, представляющих практический интерес, и поэтому можно пренебречь его изменением при измерениях вблизи комнатных температур).

Динамика изменения влажности

Имеющиеся микропроцессорные анализаторы влажности могут легко рассчитать содержание влаги в ppmW. Величины насыщения СS при различных температурах для контролируемых жидкостей заносят в память таких анализаторов. Эти приборы позволяют вводить давление паров воды PW и температуру жидкости и рассчитать текущее содержание влаги СW, используя уравнение 4. Эти вычисления постоянно обновляются, и, таким образом, можно легко обнаружить изменение содержания влаги.

Определение величин насыщения

Опубликовано множество статей, касающихся определения растворимости воды в органических жидкостях. Сравнение этих данных, полученных для конкретной органической жидкости различными исследователями, говорит о значительных трудностях при экспериментальном измерении этих величин. Имеются две основные причины противоречивости этих данных. Во-первых, очень трудно подготовить точные концентрации насыщения водой органических жидкостей, и, во-вторых, сложно исключить “загрязнение” во время подготовки пробы и анализа.

Последнее связано с загрязнением атмосферной влагой, аппаратурой подготовки пробы, покрывающими газами и т.п. Реальная подготовка проб с известной концентрацией воды в органических жидкостях еще более трудная. Большинство методик требует насыщения органической жидкости водой при известной температуре. Это, в свою очередь, требует очень большого времени смешивания, разделения фаз и точного контроля температуры. Если не доводить до экстремальных условий, то жидкость будет, либо ненасыщенной, либо пересыщенной.

​Рис. 2. Регистрируется содержание воды и давление паров воды для различных температур, и рассчитывается величина насыщения. Обычно данные регистрируются с температурными интервалами от 5 до 10  в пределах диапазона температур технологического процесса.

Так как датчик из оксида алюминия измеряет фактическое давление паров воды независимо от того, присутствует ли жидкость и/или другие газы, необходимость в фактическом насыщении жидкости исключается, одновременно с относящейся к этому потенциальной ошибкой. Все что требуется – это измерить точку росы жидкости с известной концентрацией воды при известной температуре.

Представляя уравнение 4 в другом виде, можно рассчитать концентрацию насыщения водой на основе экспериментальных данных:

СS = (СW/PW)∙PS                  (5)

СS  =  концентрация насыщения водой (ppmW);
СW = содержание воды на базе анализа по Карлу Фишеру (ppmW);
PW = давление паров воды;
PS  =  давление насыщенных паров воды;

Содержание воды и давление паров воды регистрируют при различных температурах, рассчитывают величину насыщения. Обычно данные регистрируются с температурными интервалами от 5 до 10 °С в пределах диапазона температур технологического процесса (см. рис. 2).

Градуировка по экспериментальным данным

Если электропроводность жидкости влияет на электрический сигнал датчика, то будут иметь место неинформативные высокие показания. В таких случаях должна выполняться градуировка по экспериментальным данным – измеренная точка росы в зависимости от содержания влаги с компенсацией этих высоких показаний.

Такая градуировка может быть проведена путем добавления воды в жидкость и определения полной проводимости датчика как функции содержания воды. Вода может быть легко добавлена в большинство органических жидкостей путем барботирования через них влажного газа. Содержание воды затем может быть проанализировано путем титрования по Карлу Фишеру. Растворы с известной концентрацией воды могут создаваться путем добавления известных количеств жидкой воды к известному количеству “сухой” органической жидкости.

В случае последней методики может потребоваться значительное время для полного растворения воды и достижения окончательных равновесных условий при низкой растворимости воды в этих жидкостях. Что касается применимости закона Генри, регистрируются содержа-ние влаги и полная проводимость датчика для каждой температуры, а не точка росы (см. рис. 3).

​Эти данные необходимо создавать для того температурного диапазона и диапазона изменения содержания влаги, в которых датчик будет контролировать технологический поток.

Как указывалось ранее, с помощью микропроцессорного прибора зарегистрированные экспериментальные данные по содержанию влаги и полной проводимости датчика при каждой температуре могут быть введены в программу прибора для обеспечения прямого считывания содержания влаги в ppmW. Эта методика представляет еще меньше затруднений для тех жидкостей, которые полностью или хорошо смешиваются с водой.

Рис. 3. Если электропроводность жидкости влияет на электрический сигнал датчика, то будут иметь место неинформативные высокие показания. В таких случаях должна выполняться градуировка по экспериментальным данным – измеренная точка росы в зависимости от содержания влаги с компенсацией этих высоких показаний. Такая градуировка может быть проведена путем добавления воды в жидкость и определения полной проводимости датчика как функции содержания воды.

Выводы

Применение датчиков влажности из оксида алюминия является актуальным при измерении концентрации влаги в технологических потоках с жидкими средами. Уникальная конструкция этого датчика позволяет выполнять контроль непосредственно по месту и исключает дорогие ошибки, связанные с отбором проб. Для органических жидкостей, соответствующих закону Генри, знание величины насыщения водой и давления паров, измеренного с помощью датчика из оксида алюминия, обеспечивает возможность прямого расчета содержания воды. В случае жидкостей, для которых не применим закон Генри, абсолютное содержание воды лучше всего определять, используя градуировку по экспериментальным данным.

Устройство и принцип работы датчика влажности

В быту и на производстве содержание воды в окружающей среде имеет большую важность. От этого показателя зависит не только самочувствие человека, но и сохранность продукции, оборудования, плодородность почвы. Чтобы контролировать его, необходимо применять гигрометры. В данной статье мы рассмотрим принцип работы датчика влажности. Также вы узнаете о самых распространенных видах оборудования и их преимуществах.

Виды и принцип работы датчиков влажности

Гигрометр — это прибор, с помощью которого определяется содержание воды в окружающей среде. По принципу действия датчики влажности подразделяются на 5 типов. Некоторые устройства изначально откалиброваны под необходимые параметры. В других случаях требуется точная настройка гигрометра с использованием данных о содержании воды в окружающей среде.

• . Устройство подобного датчика влажности достаточно простое. Оборудование представляет собой конденсаторы с воздухом в зазоре. Более сложные емкостные устройства имеют в зазоре твердое вещество-диэлектрик. Такое оборудование показывает более точные измерения, чем воздушное. Оно применяется для определения относительного содержания воды в твердых объектах. При этом они должны быть полностью очищены от частиц с высокой диэлектрической проницаемостью, иметь неизменную форму, а влажность образца не должна быть ниже 0,5 %.
• . В подобных гигрометрах на подложке закреплены два электрода, а поверх них — материал с малым сопротивлением, меняющимся в зависимости от степени содержания в окружающей среде воды. Чаще всего это оксид алюминия. Он поглощает влагу и изменяет удельное сопротивление. Таким образом можно измерить показатель влажности.
• . Такое оборудование имеет в конструкции два одинаковых нелинейных электронных компонента с зависящим от температуры самого термистора сопротивлением. Один элемент размещается в герметичной камере, наполненной сухим воздухом. Другой — в емкости с отверстиями. Сквозь них проникает воздух, параметры которого необходимо измерить. Принцип работы датчика влажности следующий: на одну диагональ подается ток, а другая выдает показания. С учетом этих данных и определяется содержание жидкости в объекте.
• . Выдают наиболее точные показатели. Принцип действия данных гигрометров основан на достижении точки росы, когда под воздействием изменения температур на зеркале устройства образуется водяная капля. В конструкции датчика есть светодиод, направление луча которого меняется после преодоления точки росы, перемещая его на фотодетектор и рассеивая. Напряжение в цепи уменьшается, фотодетектор подает сигнал на регулятор температуры зеркала, который удерживает показатель в точке росы, а датчик показывает содержание воды в окружающей среде.
• . Устройство такого датчика влажности базируется на измерении концентрации электролита, покрывающего электроизоляционный материал. Кроме того, существует оборудование с автоматическим подогревом и принципом работы с помощью точки росы, которая определяется над концентратом хлорида лития. Раствор чувствителен даже к минимальным отклонениям, поэтому подобные приборы высокоточны и могут производить измерения независимо от температуры воздуха. Также существуют датчики-электроды, которые погружаются в почву и выявляют уровень влажности с учетом проводимости.

Простейшие схемы наиболее распространенных типов датчиков

Схема емкостного тонкопленочного датчика

Выбирая датчик, определите заранее, для чего он будет использоваться — измерения показателей почвы, воздуха или иных веществ и объектов. Также необходимо определить диапазон замеров, желательную точность данных. Учитывайте класс защиты IP и диапазон рабочих температур. Если вы затрудняетесь с выбором устройства, свяжитесь с менеджером «ОвенКомплектАвтоматика». Он расскажет подробнее о характеристиках каждого гигрометра и поможет определиться.

Датчики влажности для жидкостей

датчик влажности в масле

Диапазон измерений (температура): -40 °C – 120 °CТочность (температура): 0,2 °C

относительный датчик влажности

Показать другие изделияInnovative Sensor Technology IST AG

датчик влажности для жидкостей

Диапазон измерения (%): 0 % – 100 %Температура использования: -20 °C – 60 °C

Показать другие изделияHydronix

Диапазон измерения (%): 5 % – 95 %Температура использования: 0 °C – 50 °C

датчик влажности для твердых веществ

Оцените качество предлагаемых результатов:

Датчики влажности — как устроены и работают

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:

1) Емкостной датчик влажности

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.

2) Резистивный датчик влажности

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.

3) Термисторный датчик влажности

Термисторный гигрометр состоит из пары одинаковых термисторов. К слову напомним, что термистор — 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.

5) Гигрометр электронный

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 Ардуино, 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.

Для растений у Xiaomi есть классный девайс — Smart Flower Monitor (анализатор минерализации и влажности почвы, температуры воздуха, освещенности). Интегрировал пару таких датчиков в Home Assistant, теперь цветы жене уведомления в Телеграм шлют, когда их пора поливать 🙂

Характеристика и виды датчиков влажности, правила подключения

Уровень влаги играет важную роль как в жилом, так и в промышленном помещении. Это состояние напрямую влияет на здоровье человека (особенно страдающего от болезней дыхания), на рабочий потенциал техники и оборудования на производстве, а также на безопасность систем, где не допускается конденсат. Для контроля этого показателя разработан специальный прибор — гигрометр. В обыденной жизни его еще называют датчиком влажности.

Терминология

Чтобы использование датчика влажности было полезным, нужно понять его конструкцию и действие. Многие пользователи не понимают его эффективности и принципа устройства, отсюда возникают сложности.

Влажность воздуха условно делится на абсолютную и относительную. Абсолютная соответствует измерению объема воды в воздушной массе. Существует предельный порог насыщения, который соответствует 100 %. От этого показателя начинается следующий процесс, именуемый конденсацией.

Нередко приборы собираются с дополнительным датчиком температуры, по которому определяется взаимосвязь между температурой среды и количеством влаги в воздухе.

Относительная влажность воздуха измеряется соотношением влагоемкости к абсолютной влажности. Чем выше относительная влажность, тем выше “точка росы”, соответственно ближе к фактической температуре воздуха.

Описание и назначение

Датчик влажности — устройство, предназначенное для измерения и преобразования относительной влажности в цифровой сигнал, а также в стандартный сигнал напряжения.

Защитные покрытия датчика позволяют использовать устройство в различных окружающих условиях и задачах, а также в управлении показателем влагосодержания: для автоматизации зданий, для контроля сушки при химическом производстве, в сельском хозяйстве.

Методы измерения влажности условно делятся на прямые и косвенные. В прямых методах осуществляется распределение исследуемого материала конкретно на сухое вещество и влагу. Косвенными методами измеряют физические величины, которые связанные с влажностью материала.

В помещениях повышенной влажности принято устанавливать вентилятор, в котором имеется гидростат — датчик влажности, выполняющий анализ насыщения воздуха в ванной водяными парами. Подобное устройство будет включаться лишь в условиях превышения нормы влажности.

Для качественного воздухообмена в ванной вместо вентиляционной решетки устанавливается вентилятор со встроенным датчиком влажности.

Виды и их принципы работы

Емкостной датчик является самым простым и представляет собой конденсаторы с воздухом между двух пластин. В сухом состоянии воздух не проводит электрический ток. Емкость определяется способностью хранить электрический заряд и меняется при изменении строения датчика.

Второй тип заключается в емкостном датчике с диэлектриком, который значительно чувствителен к влажной окружающей среде в отличие от датчика с воздухом. Конденсатор подключается к генератору, а предмет располагается между пластинами. Измеряется частота контура колебаний и вычисляется емкость.

Третий вариант емкостного датчика представляет собой подложку с двумя электродами в виде гребенки. Они выполняют роль обкладок. Для компенсации температуры в 1 датчик включены 2 термоэлемента.

Датчики с аналоговым выходом создают электромагнитное поле на участке реагирования датчика, который срабатывает на приближение или удаление от активной поверхности металлических веществ и преобразует показатель этого расстояния в аналоговый сигнал по току или напряжению с линейной зависимостью.

Резистивный

Резистивный датчики отслеживают перемену электрического сопротивления среды. В их конструкции применяют керамическое покрытие для исключения слияния состояния окружающей среды при образовании конденсата. Датчики сооружают из подложки, на поверхности которой имеется проводящий электролит, с нанесенными на нее электродами. Их помещают в защиту из пластика.

Соединяющим материалом выступает керамический порошок, взвешенный в жидкой среде. После покрытия и высушивания датчики поддаются высокой температуре. От чего образуется толстопленочное покрытие, которое не растворяется в воде и полностью предотвращает образование конденсата.

В резистивных датчиках имеется бифилярная намотка. После покрытия гигроскопическим полимером, их сопротивление оказывается обратно пропорциональным влажности.

Термисторный

Этот вид датчика основаны на термисторах. Они определяют влажность по колебанию теплопроводности газов. Такие датчики сделаны из двух очень маленьких термисторов, зафиксированных при помощи очень тонких проводов для уменьшения тепловых потерь за счет теплопроводности через корпус.

Сопротивление у термистора в большой степени меняется при небольшом изменении температуры. В датчике один термистор встроен в герметичную камеру с сухим воздухом, а другой имеет прямой контакт с окружающей средой. Пары влаги частично конденсируются и испаряются при попадании на второй термистор. При этом изменяется его температура и сопротивление. Сравнение сопротивления двух термисторов и дает представление о степени увлажненности воздуха.

Оптический

Наибольшая точность отслеживания влажности среды показывается оптическими датчиками. Цена такого датчика выше иных видов, но при этом гарантирована точная диагностика.

Помимо высокой стоимости необходимо знать, что у него большая вероятность загрязнений оптического стекла. И к тому же потребляется значительный размер электричества.

Большинство датчиков влажности обладают плохой воспроизводимостью, и они выдают не точные измерения. Исходя из этого свойства применяют косвенные методы определения влажности, самым эффективным из которых стало вычисление абсолютной и относительной влажности при температуре термодинамического равновесия жидкости и газа в воздухе.

Температуре точки росы соответствует определенное значение давления насыщенного пара. Поэтому, измеряя температуру точки росы при известном значении давления, можно определить абсолютную влажность.

Электронный датчик

Срабатывание датчика происходит при изменении электролита, которым покрыт изоляционный материал. Существуют аппараты с автоподогревом, которые поддерживают температуру точки росы.

Принцип действия датчика заключается в реакции раствора хлорида лития, который очень чувствителен к даже незначительным колебаниям влажности. Над этим раствором проводится замер точки росы. Для наибольшей эффективности гигрометра к нему присоединяют термометр, который придает ему работу с повышенной точностью. Причем нельзя полностью исключать незначительную погрешность. Он может измерить влажность при любой температуре среды.

В последнее время нашли применение цифровые электронные датчики, которые относятся к высокоточным приборам с функцией контроля климата в помещении. Сенсорный экран определяет показатели температуры и процента влажности. В случае отклонения от заданных параметров он сообщает владельцу, как правило, звуковым или световым сигналом. Это позволяет быстро настроить необходимый параметр.

Наиболее распространены обычные электронные гигрометры с двумя электродами. В землю помещаются два электрода. По степени проводимости тока определяют влажность.

Канальный

Канальный датчик применяется для определения влажности неагрессивной среды. Воздух не должен быть загружен пыльными массами, иначе возникает большая погрешность и невозможность справиться со своей функцией.

Цифровой влагоустойчивый датчик определяет относительную влажность. А также способен срабатывать по настроенным диапазонам показателей.

Обзор популярных устройств

Датчик влажности SOLER&PALAU HIG-2 реагирует при влажности 60-90%, температуре от 0 до 40°С. Гигростат используется для автоматического включения и выключения вентиляторов, опираясь на заданный уровень относительной влажности.

После достижения заданного показателя влажности датчик выключается и срабатывает таймер задержки отключения.

После отработки по таймеру вентилятор автоматически отключается и датчик переходит в режим ожидания. Электробезопасность обеспечивается

DHT11 и DHT22

Датчики температуры и влажности DHT11 и DHT22 принадлежат группе недорогих и простых. Датчики DHT собраны из двух деталей: емкостный датчик влажности и термистор.

В корпус датчика встроен простой чип для изменения аналогового сигнала в цифровой. Считывать цифровой сигнал на выходе совершенно просто — при помощи любого контроллера.

Изучив все технические показатели можно сделать вывод, что DHT22 более точный и имеет больший масштаб измеряемых значений. Оба датчика имеют по одному цифровому выходу. Запросы к ним можно отправлять не чаще чем один в секунду или две.

Xiaomi

Компания Xiaomi выпускает широкую линейку недорогой техники, но имеет отличительные от других производителей характеристики, имея свои достоинства и недостатки.

Так в модельном ряду присутствуют и датчики температуры и влажности. Представляет собой крошечное устройство, которое реагирует на изменение заданных показателей. Управление осуществляется через приложение и специальную программу.

Датчик сконструирован довольно примитивно, крепится на поверхность, использует батарейку, поверх устройства имеется кнопка, которая загорается в момент первого включения. Гаджет работает только в совокупности с главным устройством.

Рабочие температуры датчика варьируются от -20 до 60ºС. Влажность – от 0 до 100%, Измерение температуры и влажности происходит постоянно.

Устройство подает сигнал (мигание света или звук) опасности, если показатели датчика уходят за границу установленной нормы. К основному аппарату можно подсоединить несколько датчиков и контролировать влажность в разных помещениях.

ИВИТ-М

Устройство измерения температуры и влажности Ивит–М разработан для контроля влажности воздуха и неагрессивных газов в промышленности, жкх и сельской деятельности.

В устройствах ИВИТ-М используются высококачественные сенсоры емкостного типа, имеющие временную и температурную стабильность параметров. Технические показатели и класс точности прибора разделяют датчики на типы. Все устройства ИВИТ-М обладают высокой точностью измерения.

У датчика влажности воздуха ИВИТ-М есть защита от конденсации влаги на чувствительном элементе. В случае повышения значения в 90% моментально срабатывает, нагрев микронагревателя сенсора, способствующего повышению температуры на 5°С выше температуры окружающей среды. Причем относительная влажность около чувствительного элемента снижается и исключается вероятность конденсации влаги.

Особенности подключения

Многие датчики подключаются к системе без особых требований. Предварительно вскрыв крышку устройства, необходимо протянуть кабеля внешних сигналов и подключить в сеть.

При первоначальном подключении датчика в сеть на нем заложены заводские установки, которые можно наладить на свое усмотрение. Причем есть возможность запрограммировать настройки через интерфейс или через другие каналы передачи, такие как Интернет или USB.

Правила эксплуатации

Правила эксплуатации подразумевают соблюдение требований по безопасности использования и необходимых мер для увеличения срока использования. Поэтому не допускается попадание влаги на внутренние электро– и радиоэлементы прибора. Не допускается эксплуатация прибора в химически агрессивных средах с содержанием кислот, щелочей.

Опасно для человека касание рабочей поверхности элемента руками. Длительное нахождение прибора при высокой относительной влажности может привести к дрейфу его характеристик и ухудшению точности измерений.

Датчик влажности

Датчик влажности – устройство, являющееся измерительным прибором для определения содержания воды в окружающей среде.

Неэлектронный аналог устройства – гигрометр. За счет взаимосвязи величины влажности с множеством физических явлений, существует несколько способов измерения. Общепринятая величина для измерительных устройств – относительная влажность в процентах.

2. История создания и развития

Измерение влажности начали проводить с 15 века. Первым устройством были уравновешенные весы с пухом и камешками. При увеличении влажности пух тяжелел и наклонял чашу весов в свою сторону. Следующим способом измерения влажности стала натянутая нить, которая изменяла свою длину в зависимости от количества воды в воздухе. Позже этот способ улучшили, и в современном мире основными гигрометрами являются устройства на основе обезжиренного волоса или органической пленки, которые при изменении влажности воздуха меняют свою длину, что приводит в движение стрелку на циферблате.

Другим способом определения влажности является определение точки росы. Таким способом пользуется конденсационный гигрометр или оптоэлектронный датчик влажности. Развитие электричества дало новый виток в возможностях измерения влажности, за счет изменения электрических свойств материалов и веществ. Так керамический гигрометр является резистивным датчиком влажности, уменьшая свое сопротивление при её увеличении. Но самые распространённые – емкостные датчики, которые используют зависимость уменьшения емкости воздушного конденсатора при увеличении влажности.

3. Технические характеристики

В основном датчики измеряют относительную влажность воздуха в процентах. Многие из них имеют ограниченный диапазон за счет способа измерения:

Так же датчики имеют ограничения в применении. При выборе важно знать решаемую задачу и условия использования датчика.

Некоторые датчики дают возможность определить абсолютную влажность воздуха, например датчик на основе проводимости. Для определения относительной влажности, требуется пересчет и значение актуальной температуры.

4. Кейсы применения

Измерение уровня влажности окружающей среды необходимо на производствах,
как для технических устройств, так и для изготавливаемой продукции, хранении
товаров. Также использование датчиков важно в агропромышленности, в офисных и жилых помещениях для
поддержания комфортного уровня влажности для жизни.

5. Полезные ссылки