Датчики влажности и температуры для измерения уровня влажности воздуха: принцип действия разных типов

Обновлено: 26.04.2024

Поддержание микроклимата на заданном уровне важно не только для некоторых производственных процессов, но и для комфортного проживания людей. Одними из ключевых проборов для этого являются датчики влажности и температуры. Это измерительное оборудование имеет несколько моделей, которые отличаются размерами, стоимостью, используемым физическим принципом и точностью измерений.

Теоретические сведения

Влажность воздуха характеризует количество водяных паров в нем при конкретной температуре. Есть абсолютная и относительная влажность. Первая показывает количество воды в виде пара, находящейся в единице объема газа, и измеряется в граммах на кубический метр. Каждый газ при определенной температуре имеет свою абсолютную влажность, при достижении которой начинается процесс конденсации жидкости.

Относительная влажность показывает степень достижения текущего состояния влажности абсолютного значения. Измеряется она в процентах и также зависит от температуры газа. При относительной влажности 100% при конкретной температуре достигается «точка росы» — начинается процесс выделения влаги из газа в виде небольших капель. Чем выше его температура, тем больше абсолютная влажность. Поэтому многие бытовые и промышленные системы климатического контроля оснащаются комбинированным датчиком температуры и влажности воздуха.

Особенности разных конструкций

Есть пять наиболее популярных видов датчиков влаги в воздухе. А именно:

емкостные;
оптические;
резистивные;
электронные;
термисторные.

Каждый из видов обладает своими преимуществами и недостатками. Выбор датчика влажности воздуха для установки в конкретное устройство основан на соотношении достоинств и недостатков конкретной модели. Производители выбирают оптимальный вариант в плане надежности, точности измерений и стоимости.

Емкостной тип

Самый простой вариант такого измерительного прибора представляет собой воздушный конденсатор. При изменении количества паров воды в газе происходит изменение свойств самого газа, в том числе и диэлектрической проницаемости. Измерение последней с последующей обработкой данных дает представление о насыщенности воздуха парами воды.

Более сложная модификация отличается тем, что вместо воздуха между обкладками конденсатора помещается особый диэлектрик, чувствительный к количеству влаги в воздухе. Такой датчик способен измерять увлажненность не только газов, но и твердых предметов небольшого размера.

Более совершенный и точный вариант емкостного датчика состоит из двух гребенчатых электродов, помещенных на подложку. Они заменяют обкладки конденсатора,

Из достоинств емкостных датчиков можно отметить такие:

простота устройства;
низкая стоимость;
надежность работы.

Но есть и недостатки:

малая точность при измерении, когда значение приближается к нижнему порогу;
зависимость показаний от чистоты среды (мелкие пылеобразные частицы в газе оказывают существенное влияние на диэлектрическую проницаемость);
необходимость в электропитании датчика.

Оптический датчик

Этот тип наиболее точный, но и наиболее дорогой. Его используют, как правило, в лабораторных устройствах и на производстве с чувствительными к водяным парам технологическими процессами. В бытовых приборах применение оптического датчика не имеет целесообразности.

Принцип действия такой: на зеркало подается луч света, который после отражения улавливается фотодатчиком, постепенное охлаждение зеркальной поверхности приводит к моменту наступления процесса конденсации водяных паров и рассеиванию отраженного светового луча, фиксация и обработка показателей «точки росы» и текущего состояния температуры и давления дает информацию о степени увлажненности воздуха.

Оптический тип является одновременно датчиком влажности и температуры.

Резистивный и электронный гигрометр

Эти датчики простые по устройству, но точность измерения у них самая низкая. Принцип действия резистивного элемента заключается в следующем: между двух электродов размещен материал с низким сопротивлением и высокой чувствительностью к влажности (обычно это оксид алюминия), измеряется общее сопротивление, данные обрабатываются для вычисления относительной влажности.

Принцип действия электронного вида основывается на свойстве электролита, нанесенного на электроизоляционный слой, изменять свою концентрацию при изменении количества водяных паров в воздухе. Этот тип датчиков уровня влажности имеет малые размеры, что позволяет его устанавливать в небольших по размерам устройствах. При этом электронные гигрометры обладают достаточной точностью измерений для бытовых приборов и надежностью. Еще одно его достоинство — это способность измерять увлажненность воздуха вне зависимости от температуры окружающей среды.

Термисторная разновидность

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

Количественное определение влажности твердых материалов, жидкостей и газов является постоянной актуальной задачей практически во всех сферах промышленной и научной деятельности, сельском хозяйстве и медицине. Существуют прямые и косвенные методы измерения влажности. В прямых методах измерения производится непосредственное разделение исследуемого материала на сухое вещество и влагу. Косвенные методы позволяют измерять физические величины, функционально связанные с влажностью материала.

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

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

Области применения датчиков влажности

Измерение показателей влажности необходимо в таких сферах деятельности, как:

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

Виды влажностных датчиков

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

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

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

Сорбционные датчики влажности

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

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

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

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

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

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

Датчик влажности «сэндвич» типа:

1. Основание датчика;

2. Нижние электроды;

3. Пленка сорбента;

4. Верхний электрод.

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

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

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

Сорбционно-импедансные датчики

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

высокие показатели чувствительности;
простая технология изготовления;
компактность изделия.

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

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

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

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

Процесс совершенствования датчиков влажности

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

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

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

Мониторинг влажности с контрольно-измерительными приборами ЭКСИС

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

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

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

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

Датчик влажности имеет еще одно название — гигрометр. Он представляет собой прибор для измерения уровня влажности. Последний показатель является важным как для повседневной жизни, так и для производственных процессов.

В быту от влажности зависит самочувствие обитателей дома. Что касается производственных процессов, то некоторым приборам важен уровень влажности, под него даже проводят их настройку.

Терминология

Следует разобраться, что собой представляют датчики влажности воздуха, поскольку не все пользователи понимают, для каких показателей они используются.

Существует абсолютная и относительная влажность воздуха. Первая означает точное количество воды в воздухе (измеряется в г/куб.м). При этом содержание влаги можно определить и в процентном соотношении. У данного показателя есть предел — 100%. Это наибольшая величина, которую называют также порогом максимального насыщения. Еще одно ее название — влагоемкость. Процесс конденсации стартует как раз с этого предела.

Между влагоемкостью и температурой среды есть взаимосвязь. Чем выше температура, тем большее количество влаги может собираться все в том же объеме воздуха. Поэтому и цифровые, и аналоговые приборы часто оснащаются дополнительно температурным датчиком.

Отношение показателя влагоемкости к абсолютной влажности и представляет собой относительную влажность воздуха. Когда эти величины будут равны друг другу, наступает состояние, называемое «точкой росы».

Виды датчиков и их принцип работы

Датчики влажности бывают разных видов. В продаже можно встретить 4 основных типа подобных приборов:

Емкостной датчик влажности. Представляет собой воздушный конденсатор. Устройства применяются и для промышленного оборудования, и для бытовой техники. С конструктивной точки такой гигрометр состоит из подложки, на которой находится тонкопленочный полимерный элемент. Подложка делается из керамики, стекла или кремния. Преимущества таких приборов состоят в том, что они могут работать при высокой температуре, а в промышленности важна их стойкость к химическим испарениям.
Резистивный датчик. Принцип его работы основан на изменении показателя сопротивления гигроскопичного материала, которое происходит в зависимости от уровня содержания влаги. Детекторы такого типа чаще всего используются в быту.
Психометрический датчик. В данном случае его работа основана на том, что при испарении происходит потеря тепла. В такой конструкции используются 2 детектора: сухой и влажный. Измеряется разница температуры, что позволяет определить уровень содержания влаги в воздухе. Когда-то такие счетчики применялись реже, поскольку нужно было постоянно сверяться с таблицами. Сегодня это цифровые приборы высокой точности, и ими пользоваться совсем несложно.
Аспирационные датчики. Они похожи на психометрические, но их конструкцией предусмотрено наличие вентилятора, который отвечает за принудительное нагнетание газа или воздушной смеси. Такие устройства целесообразно устанавливать там, где движение воздуха характеризуется слабостью и прерывистостью.

Независимо от того, емкостной датчик относительной влажности или психометрический прибор, пользователя интересует их надежность. То есть то, насколько хорошо при сырости работает это устройство, какие факторы могут повлиять на точность измерений и т.д.

Устройство детекторов резистивного типа

Приборы влажности этого типа должны фиксировать изменения электрического сопротивления в гигроскопической среде. Речь идет о таких материалах, как соль, проводящий полимер, другие типы подложки. Чаще всего используется все-таки второй вариант. Чтобы понять принципы определения — как измерять измерения влажности этим прибором, нужно рассмотреть его устройство.

Датчики влажности резистивного типа представляют собой электроды из металлического сплава, которые накладывают на подложку с применением фоторезистора, либо второй вариант — электроды наматывают на пластиковый или стеклянный цилиндр. Подложку покрывают ранее упомянутым проводящим полимером или солевым раствором. Иногда подложка обрабатывается другим химическим соединением, в том числе кислотой.

Когда на чувствительные элементы попадает водяной пар, происходит распад ионных групп, что увеличивает электрическую проводимость. Её замеры помогают установить уровень влажности.

Читайте также: