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Arduino冷鏡式濕度計(jì)

2076046 2022-12-13 | zip | 0.33 MB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

描述

關(guān)于

可以通過許多不同的方式測(cè)量濕度。最流行的方法是使用電容式濕度傳感器。不幸的是，這些傳感器在非常潮濕的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行時(shí)會(huì)很快失去準(zhǔn)確性。冷鏡濕度計(jì)不會(huì)遇到這個(gè)問題，而且更準(zhǔn)確，尤其是在高濕度范圍內(nèi)。不幸的是，商用冷鏡濕度計(jì)的成本高達(dá)數(shù)千美元。不過基本操作還是很簡(jiǎn)單的，自己動(dòng)手做一個(gè)也是可以的。它不會(huì)像商用設(shè)備那樣具有 0.1 度的精度，但對(duì)于大多數(shù)用途來說它已經(jīng)足夠好了，而且肯定比電容式傳感器更準(zhǔn)確。

這個(gè)項(xiàng)目是一個(gè)概念證明，絕不是生產(chǎn)就緒。可以進(jìn)行許多改進(jìn)，但它證明了它有效的事實(shí)。

這個(gè)怎么運(yùn)作

冷鏡濕度計(jì)使用珀耳帖 (TEC) 來冷卻反射表面，直到出現(xiàn)冷凝。使用光源和光學(xué)傳感器檢測(cè)冷凝。鏡面溫度在冷凝出現(xiàn)時(shí)被記錄下來。這個(gè)溫度相當(dāng)于露點(diǎn)。然后可以使用露點(diǎn)和環(huán)境溫度計(jì)算相對(duì)濕度。

簡(jiǎn)化

與商用設(shè)備相比，這款 DIY 冷鏡濕度計(jì)有一些不同之處。

商業(yè)冷鏡濕度計(jì)不使用傳統(tǒng)的鏡子，因?yàn)樗荒芎芎玫貍鲗?dǎo)和分配熱量，從而導(dǎo)致精度和效率降低。這些器件大多采用鍍鉑或鍍銠的銅作為鏡面。由于這既不易獲得也不符合成本效益，因此在這款 DIY 冷鏡濕度計(jì)中使用了普通鏡子。一面小方鏡比圓鏡好，但我找不到。作為替代方案，拋光的不銹鋼板會(huì)更好。

商用冷鏡濕度計(jì)使用嵌入鏡面下方的鉑電阻溫度計(jì) (PRT)，而不是安裝在鏡面的 SMD 溫度計(jì)。PRT 需要額外的電子設(shè)備并將其安裝在珀耳帖和鏡子之間，同時(shí)提供良好的導(dǎo)熱性是有問題的。將溫度計(jì)安裝到鏡面的缺點(diǎn)是會(huì)改變熱分布特性，從而降低精度。但是表面安裝的溫度計(jì)更容易制造并且足夠準(zhǔn)確。

商業(yè)冷鏡濕度計(jì)使用約 5 毫米而不是 4 厘米的小得多的鏡子。因?yàn)樗枰俚墓β什⑶揖哂懈〉耐庑纬叽纭?/font>然而，小鏡子和匹配的 Peltier 不像大鏡子那樣容易獲得。此外，小型 Peltier 需要非常低的電壓，需要定制驅(qū)動(dòng)器。將 SMD 溫度計(jì)安裝到小鏡面上同時(shí)留出足夠的空間來反射一些光也比較困難。

當(dāng)前版本沒有遮光外殼。不過，這可以很容易地進(jìn)行 3D 打印，強(qiáng)烈建議使用它來阻擋外部光源的干擾。它還可用于固定光源和光傳感器。如果您確實(shí)制作了 3d 打印外殼，請(qǐng)確保它通風(fēng)良好。您可以使用 Peltier 風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，但一定要將空氣吸入外殼，而不是吹入外殼。內(nèi)部也必須易于清潔鏡子。

目前的實(shí)施無(wú)法測(cè)量霜點(diǎn)，因?yàn)檫@需要區(qū)分冰粒和水滴，這需要第二個(gè)光學(xué)傳感器來測(cè)量散射光。

如何建造

拿起 Peltier，清潔兩個(gè)表面，然后將導(dǎo)熱粘合劑放在熱的一側(cè)。確保它分布均勻。如果沒有導(dǎo)熱膠，可以使用導(dǎo)熱膏，在邊緣附近滴幾滴強(qiáng)力膠。這同樣有效。清潔散熱片表面并將散熱片和 Peltier 壓在一起，讓膠水干燥。

將散熱器連接到 Peltier 并且膠水干燥后，以相同的方式連接鏡子，確保首先清潔底面。重要的是導(dǎo)熱膏均勻分布并且沒有氣隙存在，否則鏡子上的熱量分布將不均勻。

當(dāng)所有膠水干透后，裝上風(fēng)扇。確保使用功率足夠大的風(fēng)扇來冷卻散熱器，因?yàn)樗鼤?huì)變得很熱。如何將風(fēng)扇連接到散熱器取決于您使用的散熱器類型。我只是用熱膠槍將兩者粘在一起。

珀耳帖、反射鏡、散熱器和風(fēng)扇

打開風(fēng)扇，然后打開 Peltier，檢查鏡子上是否至少有兩個(gè)區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)冷凝。不要為 Peltier 供電太久，因?yàn)檫@肯定會(huì)產(chǎn)生均勻的冷凝曲線。你想看看凝結(jié)剛好變得可見時(shí)的樣子。如果您對(duì)結(jié)果不滿意，請(qǐng)使用新的 Peltier、反射鏡和散熱器重試，因?yàn)槟惶赡芤瞥考⒒謴?fù)光滑表面。

全冷凝不利于區(qū)域檢測(cè)

部分冷凝有利于選擇合適的傳感器區(qū)域

我沒有均勻分布導(dǎo)熱膏，導(dǎo)致不規(guī)則的冷凝剖面，如上圖所示。

拍攝照片或標(biāo)記同時(shí)出現(xiàn)冷凝的區(qū)域很重要，因?yàn)檫@是您必須安裝鏡面溫度傳感器并測(cè)量從鏡子反射的光量的區(qū)域。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我使用 Si7021 來測(cè)量反射鏡溫度，因?yàn)樗峁┑驮肼曒敵觥?/font>不幸的是，I2C 地址是硬編碼的，因此您只能使用其中一個(gè)傳感器。對(duì)于環(huán)境溫度，我使用 DS18B20 溫度傳感器，但它的精度不是很高。我使用這些傳感器的唯一原因是因?yàn)槲遗銮捎兴鼈兛捎谩?/font>

要將 Si7021（或任何基于 PCB 的溫度傳感器）安裝到鏡子上，首先在溫度傳感器上滴一大滴非導(dǎo)電導(dǎo)熱膏。PCB 也應(yīng)該涂上導(dǎo)熱膏，以防止電子設(shè)備上出現(xiàn)冷凝。然后在 PCB 的每個(gè)角上涂上 4 大滴熱熔膠。你必須快速行動(dòng)。在均勻出現(xiàn)冷凝水的位置將傳感器按在鏡子上。確保水平放置傳感器并將傳感器用力按在鏡子上。熱膠一接觸鏡子就會(huì)很快凝固。如果您需要重新定位傳感器，您可以輕松地用開箱刀刀頭將其刮掉，剝掉膠水，然后再試一次。如果 PCB 上有冷凝水，請(qǐng)用熱膠或噴涂塑料進(jìn)行絕緣。

安裝溫度計(jì)

風(fēng)扇由 IRF520 MOSFET 模塊控制。

使用的光傳感器為OPT101，靈敏度高，輸出噪聲低，使用方便。

對(duì)于光源，您可以使用低功率激光二極管或普通 LED。我都試過了，它們都工作正常。激光的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)更好，但更難對(duì)準(zhǔn)。LED 具有更平坦的響應(yīng)，因?yàn)楦嗟墓獗簧⑸涞街車?，但它更容易?duì)齊。如果您使用 LED，請(qǐng)確保它輸出聚焦光束。

LED 和激光輸出可能太高，使用 PWM 來降低輸出不是一種選擇，因?yàn)檫@會(huì)干擾光傳感器。相反，只需將一個(gè)電阻器與 LED 或激光器串聯(lián)以降低輸出。

為了安裝 LED 或激光器和 OPT101 光傳感器，我使用一些銅線擰入鎖定線以使其更堅(jiān)固。兩端用熱膠固定。這對(duì)于概念驗(yàn)證很有用，但它也太脆弱而無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室（或地下室）環(huán)境中使用。不過，很容易將傳感器和光源對(duì)齊。更好的方法是 3d 打印這些設(shè)備的支架，這也是因?yàn)?3d 打印的外殼是防止外部光線干擾的必要條件。

安裝 LED 和 OPT101 光傳感器

為了控制 Peltier，使用了 BTS7960 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng) Peltier 的最有效方法是改變電流，而不是使用 PWM。然而，Peltier 控制器不像 BTS7960 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器那樣容易獲得，對(duì)于這個(gè)概念驗(yàn)證，功耗不是一個(gè)因素。

組裝完成后，將代碼上傳到 Arduino 并使用電位器調(diào)整 OPT101 靈敏度范圍。更高的電阻意味著相同光量的更高電壓輸出。請(qǐng)參閱 OPT101 數(shù)據(jù)表，圖 3 - 電壓響應(yīng)與輻照度的關(guān)系。為了進(jìn)行調(diào)試，您可以對(duì)著鏡子吹氣以產(chǎn)生冷凝，或者在傳感器前面放置一個(gè)物體。如果您有空調(diào)，請(qǐng)嘗試將其打開（或關(guān)閉）并等待。您將能夠看到濕度變化。

在下圖中，您可以看到溫度（藍(lán)色）、光學(xué)讀數(shù)（紅色）和測(cè)得的露點(diǎn)（綠色）。當(dāng)我剛關(guān)掉空調(diào)時(shí)，你可以看到露點(diǎn)在上升。

安全

盡管提供的代碼不支持這一點(diǎn)，但硬件除了可以冷卻鏡子外，還可以加熱鏡子。這是通過簡(jiǎn)單地恢復(fù) Peltier 上的極性來完成的。鏡面加熱可用于快速消除冷凝并改善響應(yīng)時(shí)間。此外，閃蒸冷凝可去除小污染物。不過這也存在安全隱患，因?yàn)殓R面沒有散熱片。如果代碼在加熱帕爾貼時(shí)卡住，最好的情況是它會(huì)熔化固定溫度計(jì)的熱膠，最壞的情況是它會(huì)因電線熔化導(dǎo)致短路而起火。

準(zhǔn)確性

由于測(cè)得的露點(diǎn)溫度是絕對(duì)值，因此校準(zhǔn)不如電容式或電阻式濕度計(jì)重要。然而，鏡面溫度傳感器區(qū)域和光感應(yīng)區(qū)域之間至少會(huì)存在一些溫度差異。如果您需要驗(yàn)證讀數(shù)的準(zhǔn)確性，您可以使用經(jīng)過校準(zhǔn)的商用冷鏡濕度計(jì)來校準(zhǔn)設(shè)備。

至于鏡子污染，這只是部分問題。反射光讀數(shù)不是絕對(duì)的，而是相對(duì)于冷卻循環(huán)開始的。當(dāng)冷卻循環(huán)開始時(shí)，鏡子沒有冷凝。測(cè)量反射光量并將其用作檢測(cè)結(jié)露的參考。如果鏡子被污染并且反射的光較少，應(yīng)該不會(huì)影響凝結(jié)檢測(cè)。但是，某些污染物會(huì)降低或升高冷凝發(fā)生的溫度，因此為了獲得最佳精度，請(qǐng)不時(shí)清潔鏡面。

鏡子和環(huán)境溫度傳感器不需要具有很高的校準(zhǔn)精度，但分辨率必須很高。例如，如果實(shí)際溫度為 24.0 度，但實(shí)際測(cè)量值為 24.5 度，只要鏡子和環(huán)境溫度計(jì)的測(cè)量值也為 24.5（可以歸一化）并且該數(shù)字僅保留一位小數(shù)，就可以了。許多溫度計(jì)的抖動(dòng)為 0.2 或 0.3 度。最好將 TSYS01 溫度傳感器用于鏡面溫度和環(huán)境溫度測(cè)量，因?yàn)檫@些傳感器提供與 0.1 度的鉑電阻溫度計(jì)相同的精度。

溫度傳感器與鏡面接觸良好非常重要。使用非導(dǎo)電導(dǎo)熱膏勢(shì)在必行。

不要讓鏡子的冷卻速度快于溫度計(jì)的響應(yīng)時(shí)間，否則感測(cè)的露點(diǎn)會(huì)不準(zhǔn)確。

溫度傳感器必須放置在鏡子上同時(shí)出現(xiàn)光感區(qū)域凝結(jié)的位置。

在鏡面上安裝溫度傳感器會(huì)改變熱分布，從而降低精度。使用紅外測(cè)溫儀作為替代方案可能很誘人，但不幸的是，鏡子會(huì)反射一定量的熱輻射，因此測(cè)量結(jié)果會(huì)受到周圍環(huán)境的影響。