Датчики влажности и температуры воздуха

Датчики и измерительная техника Galltec+Mela

есть в наличии

Напряжение питания 8-24Vdc, предел измерений от 0/100% H (4/20ma), рабочий диапазон 5/95%H, точность измерения 3% в пределах от 20% до 80 % шкалы, в остальном диапазоне 5%.

Защита IP65, напряжение питания 8-24Vdc, предел измерений от 0/100% H (4/20ma), рабочий диапазон 5/95%H, точность измерения 3% в пределах от 20% до 80 % шкалы, в остальном диапазоне 5%., секция температуры от -10/70 гр.С., погрешность 1,5 гр.С (4-20 ма).

THS07 предназначен для мониторинга состояния воздушной среды. Отличается высокой точностью и надежностью, легкостью в монтаже. Применяется в системах вентиляции и кондиционирования, складском хозяйстве, на предприятиях легкой промышленности, медицинских учреждениях

ОВЕН ПВТ10 применяются для измерения параметров воздушной среды библиотек, музеев, фармацевтических и иных лабораторий, овощехранилищ, а также медицинских, офисных, складских и производственных помещений.

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:

• CMode Bit. Если установлена «1», то датчик находится в command mode — в служебном режиме, который используется для изменения адреса датчика на I2C
• Stale bit. Если установлена «1», значит после выполнения очередного цикла измерений получены те же значения температуры и влажности, что и после предыдущего цикла

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:

Измерение относительной влажности в быту

Время на прочтение

Теория

Напомню, что вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии (речь о жилых помещениях с температурой 15-30оС при нормальном – 720-770 мм.рт.ст. – атмосферном давлении). Жидкости характеризуются летучестью паров – при данной температуре некое количество молекул жидкости переходит в газообразное состояние. Количество таких молекул в воздухе зависит от свойств жидкости (есть крайне летучие, как эфир, а есть совсем не летучие, как силиконовое масло), температуры и давления.

Как долго и как много молекул будут покидать жидкую фазу? Это зависит от уже имеющегося их количества в воздухе (газовой фазе). Здесь прямая аналогия с конкуренцией на рынке. Если рынок пустой и доходный, туда “ломятся” множество производителей. Но чем их больше, тем выше конкуренция и ниже доход. В результате на рынке устанавливается некое равновесие. Тоже самое происходит и с воздухом. Молекулы воды будут переходить в газовую фазу либо до исчерпания жидкости, либо до состояния равновесия (при данной температуре и давлении). Равновесие в данном случае выражается в достижении равенства между количеством молекул из жидкой фазы вылетающих с числом молекул, туда возвращающихся.

Если мы говорим об океане, то молекулы воды очевидным образом кончиться не могут, воды много. Но в помещении обычно нет открытого водного зеркала, откуда происходит испарение (за исключением нашей любимой чашки с чаем или кофе). Вода содержится в гигроскопичных материалах, находящихся в помещении (дерево, ткань и пр.). Т.е. равновесие в данном помещении будет достигнуто не из-за насыщения воздуха парами воды до максимального значения, но потому, что вода закончилась.

Важно понимать, что количество молекул воды в воздухе зависит от температуры. При росте температуры на 10оС количество вырастает приблизительно в два раза. С ее снижением равновесное содержание также быстро уменьшается. Когда температура становится отрицательной, воды в воздухе очень мало. Напомню, что шкала Цельсия основана на двух реперных точках, связанных с свойствами именно воды. Вода (особо чистая, оговорюсь) замерзает при нуле градусов, а кипит при 100оС. Т.е. при отрицательных температурах воздух быстро высыхает.

Все мы знаем, что это высыхание ведет, например, к тому, что двери из гигроскопичного материала (дерева, МДФ и пр.) “рассыхаются”. Точно также увеличиваются щели в полах из паркета или паркетной доски. Естественно, материал невозможно в домашних условиях высушить до нулевого содержания воды, ее количество опять-таки будет равновесным и определяется как свойствами материала, так и условиями окружающей среды.

Далее, человек на 95% состоит из воды. И она тоже испаряется в условиях, когда количество молекул в единице объема воздуха далеко от равновесного. Собственно, тело человека и является основным источником влаги в такой ситуации. В итоге мы тоже высыхаем, причем в первую очередь обезвоживаются слизистые, поскольку они в норме влажные (т.е. содержат свободную воду). К чему это ведет, мы тоже хорошо знаем. Горло и язык “пересыхают”, появляются неприятные ощущения в носоглотке.

Поскольку – в отличии от атмосферного давления – мы в силах регулировать влажность в жилых помещениях, не комфортные условиях можно изменить. В данной статье речь идет о ручном регулировании, темы “умного дома” не затрагиваются.

Но сначала нужно определиться, как мы будем измерять влажность, по какому критерию мы будет ее регулировать. Различают 2 базовых показателя. Первый совсем простой по смыслу, называется “абсолютная влажность”. Очевидным образом, это содержание воды в граммах на единицу объема или веса воздуха. Обычно говорят об объеме, тогда абсолютная влажность измеряется в г/м3, т.е. количество граммов воды в кубометре воздуха в нашей квартире.

Второй чуть сложнее. Если жидкой воды в помещении достаточно, то – как я уже сказал выше – она будет испаряться до достижения равновесного (насыщенного) значения. Например, 5 г/м3. В квартирах, как уже говорилось, свободной жидкой воды, как правило, нет. Следовательно, содержание воды в воздухе равновесно-насыщенного значения не достигнет, вода раньше закончится. Допустим, это значение 2.5 г/м3. Тогда можно определить, сколько это в процентах от равновесного значения, т.е. (2.5/5х100)=50%. Эту величину называют “относительной влажностью” (relative humidity, RH) и именно ее измеряют бытовые гигрометры и психрометры.

Еще немного простейшей физики. Ниже в таблице показано содержание воды в граммах на кубометр в зависимости от температуры:

Как видно из таблицы:

60 % отн. влажности воздуха при +30 гр. – это 30,4 * 60 % = 18,24 гр/м3 абсолютной влажности

60 % отн. влажности воздуха при +20 гр. – это 17,3 * 60 % = 10,38 гр/м3

60 % отн. влажности воздуха при -10 гр. – это 2,1 * 60 % = 1,26 гр/м3

Заметьте, относительная влажность одинаковая, а абсолютная отличается в разы. Т.е. показания относительной влажности воздуха можно сравнивать при условии, что измерения делались при одинаковой температуре, измерения при разной температуре сравнивать не имеет смысла.

Эти данные позволяют также понять природу распространенного заблуждения о том, что нагреватели “сушат воздух”. Содержание воды в кубометре при работающем нагревателе не меняется. Меняется равновесное содержание. Например, сегодня утром в комнате было 15оС, влажность 51%. Я включил нагреватель, через определенное время стало 22оС, а относительная влажность упала до 40%. Это произошло не из-за уменьшения количества воды в комнате, изменилась лишь величина RH, т.к. равновесное содержание воды при 22 градусах выше, чем при 15.

Естественно, существуют нормативные документы (ГОСТ, СНиП и пр.), в которых определено, какая влажность для человека комфортная и как оценивать значение влажности в помещениях разного типа. Приведу цитату:

Вот теперь можно поговорить о том, как влажность регулировать. Она же может быть как низкой (недостаточной), так и высокой (избыточной).

Вначале о наболевшем, о повышении влажности. Можно держать рыбок в аквариуме. Можно ставить на отопительные приборы банки с водой, подвешивать специальные трубки с водой (способ популярен в Европе), наконец, просто сушить белье на батарее. Если батареи горячие, эффективность такого способа достаточно велика. Наконец, воду можно искусственно испарять с помощью разнообразных устройств. Они работают на различных принципах, я полагаю наиболее эффективными из доступных ультразвуковые увлажнители (УЗ). Главным показателем такого устройства является объем воды, испаряемой за единицу времени, обычно это миллилитры в час. Мой домашний УЗ имеет значение 300 мл/ч, промышленные устройства – до 1800 мл/ч. Естественно, испарение в час почти двух литров воды в квартире – это перебор. Увлажнение можно совмещать с очисткой воздуха, но это за рамками данной публикации. Напомню, что в УЗ нужно использовать обессоленную или дистиллированную воду, иначе он быстро выйдет из строя.

Осенью в сырую погоду при выключенном отоплении влажность становится избыточной, в квартире промозгло и неуютно. Улучшить ситуацию можно с помощью кондиционера, включенного на осушение.

И, наконец, о предмете этого материала – об измерении относительной влажности в бытовых условиях.

Психрометры работают по принципу сравнения значений температуры сухого и влажного термометра. Влажность определяют затем по таблицам, которые размещены на корпусе прибора, например, популярный ВИТ-1:

Обратите внимание на надпись под таблицами – это требование к скорости воздуха, обдувающего термометры (скорость аспирации). Если воздух неподвижен, то прибор будет показывать неверную влажность, поскольку не происходит отвода паров воды и, соответственно, охлаждение мокрого термометра. Если скорость слишком высокая, то вода во влажном термометре будет испаряться слишком быстро, его температура будет ниже, соответственно, разница показаний сухого и влажного будет больше, т.е. значение влажности будет заниженным (см. таблицу на рисунке выше). Ввиду того, что требуется постоянно доливать воду, а сам прибор достаточно громоздкий по нынешним временам, в квартирах его используют редко. Если вам не жалко нескольких сотен рублей, его можно купить для калибровки гигрометров.

Наиболее распространены сейчас гигрометры. Они бывают механическими и цифровыми. Механические гигрометры часто изготавливают в дизайнерском исполнении и используют для украшения интерьера:

Они могут работать на различных принципах, один из простейших – это использование двух спиралей, в зависимости от температуры воздуха и влажности они либо растягиваются, либо сжимаются.

Очевидно, что точность измерения бытовых недорогих механических гигрометров весьма невысока, обычно она выражается величиной т.н. относительной погрешности. Я оцениваю ее в 10% и более. Т.е. если прибор показывает 50%, то реальная влажность может отличаться на (50*0.1)/50*100=10% или 45-55%. Именно поэтому на рисунке выше гигрометр занимает меньше места, чем термометр, а шкала весьма грубая. У меня механических гигрометров нет.

Для более точных измерений используют компактные цифровые гигрометры. О них и пойдет разговор в следующем разделе. Они используют датчики влажности различных типов. В дешевых это подложка из электроизоляционного материала с пленкой из хлорида лития. Электрическое сопротивление этого материала меняется в зависимости от уровня влажности воздуха, что и измеряется электронной частью устройства. Очевидным образом, точность измерения зависит от качества изготовления датчика и электронных компонентов.

Практика контроля влажности в жилом помещении

Давайте уже поговорим о практике. На рисунке представлен тот набор гигрометров, что есть у меня:

Это метеостанции (№№ 1 и 2), их выносные датчики (№№ 5 и 6), а также термогигрометры (т.е. измеряют и температуру, и влажность).

Устройство №4 – термогигрометр TechnoLine WS 7005 якобы немецкого производства, который я купил в Испании. Он до сих пор широко продается на Амазоне, его точность в диапазоне влажности 35-80% составляет 5%, за пределами указанного интервала – 7%. Обратите внимание, это важно: точность зависит от абсолютного значения, что обусловлено характеристиками датчика:

Видно, что зависимость сопротивления пленки хлорида лития от влажности, во-первых, нелинейная. А во-вторых, показана она начиная от 20% относительной влажности. Это связано с тем, что за пределами диапазона зависимость уже сильно нелинейная, использование показаний сопротивлений сопряжено с большими ошибками. И, наконец, в-третьих, вид кривой для каждого экземпляра датчика будет немного отличаться, что приведет к разнице в показаниях в одинаковых условиях. Именно в низком качестве изготовления причина большого разброса значений даже для датчиков из одной партии. Кстати, хочу заметить, что полная кривая отклика датчика в зависимости от влажности в большинстве случаев является S-образной (о таких кривых я писал ранее).

Большинство недорогих гигрометров просто неспособны отобразить значения ниже 20%, а показывают что угодно, кроме точного значения. Из показанных на рисунке измерять значения ниже 20% (для нас актуален прежде всего нижний порог) могут только №3 и №7 (они будут подробнее описаны ниже). Чтобы не ошибиться, важно реалистично оценивать условия измерения – например, утром в комнате, в которой всю ночь было открыто окно, а на улице -10оС, влажность составляет 13-15%. Если прибор показывает иное – он с высокой вероятностью врет.

Специализированный гигрометр GM1362 (№3) имеет точность плюс минус 3%, а измерение температуры в нем – это дополнительная опция. Его я принял за самый точный из имеющихся прибор, относительно которого я “поверяю” остальные. О поверке см. публикацию. Отмечу только, что термин “поверка” является официальным. Поверкой оборудования в норме занимаются сертифицированные центры, имеющие оборудование высокой точности. В продаже есть уже официально поверенные гигрометры, но стоят они десятки тысяч рублей. Здесь же мы говорим о поверке в смысле сравнения показаний разных устройств, включая принятый за эталон. Хотя по ссылке вы можете найти доступные методы проверки показаний в домашних условиях.

Итак, метеостанция №1 показывает влажность 33%, ее датчик (№6) – 28%. Вторая (№2) тоже 33%, ее датчик (№5) – 29%. Можно предположить, что датчики влажности в самой метеостанции выше классом (т.к. их показания совпадают с “поверочным” гигрометром), чем датчики в выносных блоках.

“Немецкий” прибор влажность занижает (что подтверждают и отзывы пользователей на немецком и других сайтах Амазон). На разницу в 1% между №3 и №7 можно не обращать внимания, поскольку величина в пределах погрешности измерений.

Отмечу, что к метеостанциям повыше классом могут продаваться сменные датчики более высокого качества. По умолчанию же внешние блоки измеряют влажность в интервале 20-90%.

Еще одна важная вещь. Выше я упоминал, что скорость аспирации термометров психрометра должна быть в оговоренных пределах. Это верно и для датчиков гигрометров. Очевидно, что количество и расположение вентиляционных отверстий сильно влияет на показания. По-хорошему, гигрометр должен располагаться в токе воздуха (на “сквознячке”), либо обдуваться вентилятором на небольших оборотах. Именно по указанной причине в специализированном гигрометре (№3) датчик вынесен на щуп, а отверстия достаточно большие и расположены вокруг него (а не с одной стороны, как в недорогих приборах).

Наконец, о частоте опроса датчика. Пользователи №4 как раз указывают, что она крайне невелика, порядка одного раза за несколько минут. Для сравнения, скорость обновления показаний №3 составляет 3 секунды. Забавно наблюдать, как после выдоха на датчик его показания растут (воздух из легких насыщен парами воды) пару измерений, а затем плавно снижаются. Отсюда же следует и правило о том, что измерительному устройству надо давать достаточно времени для выхода на стационарные значения (в неизменных условиях, естественно). Прямо из коробки или с улицы прибор будет показывать невесть что.

Сказанное можно проиллюстрировать снимком устройств через некоторый промежуток времени:

Здесь интересно, что разница между показаниями устройств №4 и 6 – и №3 и №7 больше, чем на первом снимке. Это иллюстрирует соображения о том, что датчики должны быть правильно расположены (обдуваться воздухом) и о том, что кривые отклика датчиков различаются.

В следующих разделах я кратко остановлюсь на особенностях современных моделей метеостанций и термогигрометров, которые я могу рекомендовать по собственному опыту.

Термогигрометр Xiaomi MiaoMiaoCe E-Ink

“Фишками” прибора являются:

• элегантный внешний вид (причем на столе он даже красивее, чем на фото)
• высокая точность измерений и частота опроса датчиков
• использование экрана типа E-Ink.

Использование дисплея на электронных чернилах (как в ридерах электронных книг) позволило добиться отличных углов обзора и читаемости показаний даже в сумерках. Он очень симпатично сделан и, что важнее, точно показывает и температуру, и влажность. Использован датчик влажности швейцарской разработки (изготовлен, конечно, в Китае), погрешность измерений 3%.
Есть модели, которые могут передавать значения по протоколу Bluetooth на смартфон.

• возможность питания от сети, что позволяет избегать периодической настройки заново и держать подсветку экрана включенной постоянно
• очень информативный цветной экран с подсветкой (3 режима от яркой до выключенной)
• измерение давления в мм.рт.ст.
• возможность калибровки всех датчиков.

Метеостанция на порядок лучше предыдущей модели, которой я пользовался. В комплекте 1, 2 или 3 внешних датчика. Отмечу, что выносные блоки выполнены в незащищенном исполнении, поэтому ставить их напрямую на улицу не стоит, лучше на лоджию и пр.

Все датчики (давления, температуры, влажности) можно калибровать – т.е. вносить систематическую поправку, чтобы показания совпадали с эталонным устройством.

Датчик влажности центрального блока достаточно высокого качества, диапазон 10-99%. Точность производителем не указана. Автоматически связывается с внешними блоками и устойчиво держит связь.

Яркость экрана невелика, а углы обзора очень небольшие, что можно рассматривать как недостаток. Мне важнее, что ночью он не светит в глаза, не мешает спать. При этом в сумерках и темноте видно отлично.

Найти имя производителя весьма непросто даже в сети. Полагаю, это связано с тем, что станция ну очень похожа на изделия известной фирмы La Crosse. Скорее всего, их производят, т.с., “параллельно”.

Гигрометр Outest GM1362

• диапазон 5-98%, точность плюс-минус 3%
• высокая частота опроса.

Прибор недорогой, экран с подсветкой, питание от “Кроны”, должно хватить надолго (есть автоматическое отключение). Из недостатков могу отметить серую рамку на корпусе, она не позволяет поставить гигрометр на стол, только положить. Сзади есть штативное гнездо с резьбой.

В инструкции, вложенной в упаковку, указан диапазон 0-100% (указанный выше диапазон лично мне представляется более реалистичным), а точность уточняется по интервалам значений относительной влажности: 0-20% – 4.5%; 20-80% – 3%; 80-100% – 4.5%. Причина уже пояснялась выше, наличие данной информации указывает на достаточно профессиональный подход изготовителя. Также есть утверждение, что прибор был откалиброван на заводе. Производителем заявлена фирма Benetech, а не Outest, как на сайте.

Приобретать этот прибор для использования в квартире особого смысла нет. Он может быть удобен в загородном доме и других локациях, где необходимо быстро измерить влажность в различных местах.

Заключение

Надеюсь, после ознакомления с этим материалом вы стали лучше ориентироваться в проблеме. Именно это и было моей главной целью.

Особо хочу подчеркнуть важный момент: в повседневной жизни нет необходимости измерять относительную влажность с очень высокой точностью, достаточно целого числа. Перфекционизм в данном вопросе ведет лишь к неэффективному расходованию бюджета. При ручном управлении влажностью в доме двухзначного значения вполне достаточно. Важно лишь убедиться в том, что приобретенный гигрометр в принципе работает и не врет на десятки процентов. Приобретение различных устройств (особенно дорогостоящих) имеет смысл только в случае, если вы осознанно и глубоко увлекаетесь этой темой.

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.

• Чувствительный элемент представляет собой конденсатор, емкость которого изменяется пропорционально относительной влажности окружающей среды.
• В качестве диэлектрика используется слой полимера, диэлектрическая проницаемость которого зависит от количества абсорбированной им влаги.
• Зависимость влажность-емкость носит линейный характер и позволяет проводить измерения в диапазоне от 0 до 100 % RH.

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.

Гигростаты

• Точность: ±3,5 %
• Выход: реле
• Монтаж в каналы и воздуховоды
• Не требует подключения к источнику питания
• Двухпозиционный (ON/OFF) регулятор влажности
• Устойчив и стабилен при высокой влажности (близкой к 100%)

• Точность: ±3 %
• Выход: реле
• Гигростат в комнатном исполнении
• Не требует подключения к источнику питания
• HGMini-i с ручкой настройки внутри корпуса

• Точность: ±3 %
• Выход: реле
• Не требует подключения к источнику питания
• Ручной задатчик под отвертку
• Двухпозиционный регулятор влажности

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.

Датчики температуры

• Чувствительный элемент: Pt100 или Pt1000
• Длина погружной части: 220 мм
• Чувствительный элемент: Pt1000

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».

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:

• 0% и 85% RH при 5°C
• 0%, 15%, 30%, 50%, 85% RH при 30 °C
• 0% и 85% RH при 45°C

После калибровки проводятся контрольные измерения. Стандартные контрольные точки:

• 85% RH при 5°C
• 20% и 75% RH при 25°C

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.

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”

Ответственный подход к измерению относительной влажности

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.

Датчики влажности воздуха

• Точность: ±1,5 %
• A: с дисплеем (со съемным зондом, подключаемым в различных комбинациях)
• B: с вынесенным зондом на кабеле до 5 м, работа в атмосфере с присутствием аммиака или устойчивые до 25 бар (опция)

• Точность: ±2,5 %
• Устойчив к аммиаку и другим средам, содержащим различные загрязнители

• Исполнение: канальное, настенное, комнатное
• Точность: ±3 %
• Новое поколение датчиков для систем вентиляции ∅12 мм
• Для монтажа в каналы воздуховодов, в комнатном или настенном исполнении (для монтажа на стену)

• Исполнение: канальное, настенное, комнатное
• Точность: ±2 %
• Цифровая серия вентиляционных датчиков с возможностью расчета параметров влажного воздуха (опция)
• Наличие дисплея для отображения измеренных параметров (опция)

• Точность: ±3 %
• Исполнение: канальное, настенное, подвесное
• Лайт-версия датчиков влажности и температуры для систем воздушного кондиционирования

• Точность: ±2 %
• Версии с кабелем, коммутационной головкой и 7-контактным разъемом
• Высокая степень защиты электроники IP65

• Точность: ±2 %
• Выход: ModBus (RS-485)
• Выходной сигнал RS-485 протокол ModBUS для интеграции в систему с ПЛК без модулей аналогового ввода – стержнеобразный корпус ∅20 мм с разъемом в комплекте

• Точность: ±2 %
• Материал корпуса — нержавеющая сталь

• Точность: ±2 %
• Низкое потребление тока для уменьшения влияния самонагрева при отсутствии ветра
• Специальное исполнение с мембранным фильтром для работы в условиях запыленности, солевого тумана и при скорости ветра до 20 м/с

• Предотвращения загрязнения (налета различных веществ на чувствительный элемент датчика) или повреждения сенсоров датчиков
• Защита от высоких скоростей воздушного потока до 15 м/с

• Монтаж датчиков на стену, в вентиляционные каналы или сквозь стенки
• Настенная консоль для монтажа датчиков диаметром 20 мм на любые вертикальные поверхности
• Пластины из высококачественной нержавеющей стали

• Проверка точности работы датчиков на месте их установки без демонтажа
• 12 % RH при 25 °C
• 33 % RH при 25 °C
• 75 % RH при 25 °C
• 84 % RH при 25 °C

• Идеально подходит ко множеству применений в ОЕМ-областях
• Защита от прикосновений (опция)

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.