Купить на Aliexpress

Расчеты

Емкость вычисляется по следующему выражению:

Пусть пластины имеют размеры w = 12 мм; l = 35 мм, тогда площадь S = 12*35=420 мм², а расстояние между ними d = 3 мм, тогда расчетная электрическая емкость C = 1 пФ.

Геометрические размеры (площадь) S, как и расстояние между пластинами d не меняется. Остается для изменения емкости менять вещество между пластинами, пока это воздух ε = 1. Как думаете какая относительная диэлектрическая проницаемость воды? Источники показывают, что ε = 81.

Полное погружение в воду даст увеличение емкости в 81 раз! Расчетная ёмкость C составит уже не 1 пФ, а 100 пФ.

Таким образом плавно погружая этот самодельный кондер также плавно и пропорционально будет изменятся и емкость, что дает возможность эффективно отслеживать состояние влажности.

Технические характеристики МГ-44

• Точность измерения прибора составляет : +/- 1%
• Индикаторное устройство содиняеться штекерным соединением с датчиком щупом.
• Широкий диапазон контроля за влажностью: 0-100 %
• На стабильность измерения прибора не оказывают влияние изменение солености материала или его температуры.
• Длина нержавеющих электродов: 60 мм
• Диаметр электродов: 3 мм
• Индикаторный блок отражает на ЖК дисплее измеряемое значение влажности и наименование продукта согласно выбранной калибровочной характеристики.

Влагомер имеет 99 калибровок материалов. Пользователь имеет возможность самостоятельно редактировать (добавлять и стирать) калибровочные точки для каждого из 99 материалов и изменять наименование калибровки. Микропроцессор формирует аппроксимированную кривую согласно заданных калибровочных точек. Минимальное количество точек три. Также есть возможность задать коррекцию калибровочной характеристики (поднять или опустить) в пределах +/- 5% с шагом 0,1% для каждого канала можно провести свою корректировку Подробно о проведении программирования прибора описано в паспорте прибора.

Превращение изменения емкости в изменение напряжения

Подключив последовательно с резистором конденсатор получим ФНЧ (фильтр нижних частот).

Получается делитель напряжения, где у верхнего плеча R1 сопротивление не изменяется, а емкостное сопротивление нижнего плеча C1 меняется в зависимости от частоты.

Но так как частота сигнала будет неизменной, то построим график зависимости емкостного сопротивления от емкости (C = 1-100 пФ):

Таким образом понятно, что при увеличении емкости ( погружение в воду) сопротивление нижнего плеча будет уменьшаться, как и падение напряжения на нем, а значит и выходное напряжение (см. подтверждение опытом ниже).

Но остается еще одно — выделить только амплитуду, именно для этого применяется АМ-детектор. Его расчет был выполнен, но ничего полезного этого не дало, поэтому номиналы взяты такие же, как у готового. Главная суть в этом:

нужно подобрать емкость и сопротивление таким образом, чтобы конденсатор успевал подзаряжаться при увеличении сигнала, а при уменьшении подразряжался за время низкого уровня, но при изменении сигнала огибающая изменялась.

Паяем электронику

Концевой выключатель: принцип работы и основные характеристики. проверенные схемы подключения своими руками!

Измерить сопротивление в гипсовом блоке на самом деле не так просто, как кажется. Если подать постоянный ток на электроды в соленой воде, то как известно начнется химическая реакция. Тоже происходит в гипсовом датчике и он через некоторое время начинает показывать неправильные результаты. Поэтому нужен переменный ток. Схема ниже представляет собой преобразователь частоты в вольты где частота зависит от уровня влажности. U1 – простой осциллятор. Сопротивление гипсового датчика определяет частоту осциллятора. Больше влаги в датчике – меньше сопротивление. Меньшее сопротивление позволяет С4 заряжаться быстрее повышая частоту. И наоборот. Чем меньше влаги в датчике, тем больше сопротивление и частота меньше. Гипсовый датчик защищен от любого постоянного тока конденсаторами С5 и С6. Для преобразования частоты в вольтаж, который может быть измерен в сети 1-wire измеряется ток осциллятора. Как и во многих CMOS ток пропорционален «активности» в цепи, которая в данном случае выражается в частоте. Большая частота – больший ток. Ток преобразуется в вольтаж через резистор R2. U2 – это микросхема мониторинга заряда батареи DS2760. В нашем случае он используется только как АЦП. Перепады вольтажа измеряются через резистор R2 и преобразовываются в микросхеме в значения, которые можно прочитать по сети 1-wire. Данная схема не работает на паразитном питании, и на нее нужно подавать отдельно от 7V до 18V.

Проверка на практике

Сначала непосредственно датчик, состоящий из двух кусочков фольгированного стеклотекстолита FR-4 (70×12 мм).

*также не забываем изолировать открытые участки меди клейкой лентой

И также схемка в миниатюрном исполнении.

Сигнал сгенерирован с помощью МК (ШИМ, f = 1 МГц, D = 50%), конечно это можно сделать с помощью того же таймера NE555, но если устройство уже будет иметь микроконтроллер, то зачем же еще одна МС?

Теперь просто подключаем питание (здесь 3.3 В), вольтметр на выход и смотрим как изменяется напряжение при заливании водой.

Очень хорошо, показания изменяются очень плавно и четко.

Остается только оцифровать показания с помощью встроенного в МК АЦП и придать им какие-то смысловые привязки, например проценты.

Исходный код

irrigator.ino // Подключаем библиотеку для работы с дисплеем #include «QuadDisplay2.h» // даём разумное для пина, к которому подключена помпа #define POMP_PIN 4 // даём разумное для пина, к которому подключён датчик влажности почвы #define HUMIDITY_PIN A0 // минимальный порог влажности почвы #define HUMIDITY_MIN 200 // максимальный порог влажности почвы #define HUMIDITY_MAX 700 // интервал между проверкой на полив растения #define INTERVAL 60000 * 3 // переменная для хранения показания влажности почвы unsigned int humidity = ; // статическая переменная для хранения времени unsigned long waitTime = ; // создаём объект класса QuadDisplay и передаём номер пина CS QuadDisplay qd(9); void setup(void) { // начало работы с дисплеем qd.begin(); // пин помпы в режим выхода pinMode(POMP_PIN, OUTPUT); // выводим 0 на дисплей qd.displayInt(); } void loop(void) { // считываем текущее показания датчика влажности почвы int humidityNow = analogRead(HUMIDITY_PIN); // если показания текущей влажности почвы // не равняется предыдущему запросу if(humidityNow != humidity) { // сохраняем текущие показания влажности humidity= humidityNow; // и выводим показания влажности на дисплей qd.displayInt(humidityNow); } // если прошёл заданный интервал времени // и значения датчика влажности меньше допустимой границы if ((waitTime == || millis() — waitTime > INTERVAL) && humidity < HUMIDITY_MIN ) { // включаем помпу digitalWrite(POMP_PIN, HIGH); // ждём 2 секунды delay(2000); // выключаем помпу digitalWrite(POMP_PIN, LOW); // приравниваем переменной waitTime // значение текущего времени плюс 3 минуты waitTime = millis(); } }

Более практичный датчик из пластин оцинковки

Покрыты слоем клейкой ленты.

При сухом грунте на выходе примерно 1.5 В.

После сверхобильного полива 0.75 В.

Масштабирование решения

Мы описали решение для одного растения. Но обычно требуется поливать несколько растений. Помимо очевидного решения — подключения к Arduino нескольких помп и датчиков влажности — существует более простое и дешёвое. Достаточно в трубке, которая идёт в комплекте с помпой проделать шилом дырочки на расстоянии около 30 см и воткнуть в эти дырочки куски стержней от обычных шариковых ручек. Выглядеть это будет так:

Горшки с цветами дома часто стоят в ряд на подоконнике. Вам достаточно просто положить трубку на горшки так, чтобы отверстия в ней приходились по одному на горшок. Теперь наше устройство может поливать сразу несколько горшков. Однако в таком случае принимать решение о необходимости полива можно только по одному горшку. Однако обычно горшки примерно одинаковые по размерам и, соответственно, сохнут с примерно равной скоростью. Можно так же комбинировать два решения, разделяя все горшки на группы примерно равных по размерам.

Автоматическая система полива (простейшее исполнение)

Прикупил маленький водяной насос, работает неплохо и хорошо подойдет для проверки.

Управление насосом через ключ (полевой транзистор IRLML2502) ШИМ-сигналом 1 кГц.

После выполненой калибровки программа выключит насос, когда напряжение станет ниже нижнего порога (0.75В) и включит, когда пересечет верхний порог (1.4 В).

Недостатки

Основная проблема таких датчиков — их недолговечность. Чувствительные элементы погружаются в почву, на них подается электричество, и это приводит к постепенному окислению и выходу из строя: окислы быстро уничтожают металл. Щуп начинает выдавать неверные показания, а со временем перестает работать совсем.

Часть производителей устраняет этот недостаток путем нанесения на контактные поверхности щупа покрытия из иммерсионного золота и других материалов. Но модули с таким напылением стоят дороже.

Существует и программный способ защиты — подавать напряжение не постоянно, а только время от времени, измеряя влажность через определенные интервалы. Это способно серьезно продлить «жизнь» гигрометра. Некоторые энтузиасты реализуют проекты альтернативных стандартным датчикам — например, на графитовых стержнях.

Направления применения

Влажность почвы

Самым очевидным применением будет определение влажности грунта в цветочном горшке или просто на участке.

Таким образом можно встроить этот датчик в систему автоматического полива растений.

Наличие дождя

Для определения дождя также можно использовать сенсор такого типа, просто между пластинами расположить губку, а сбор капель сделать с помощью воронки.

Таким образом во время дождя поролон впитывает воду, емкость возрастает, а после прекращения дождя остатки уйдут вниз, и еще через время она снова станет сухой.

Уровень воды в емкости

Имея небольшой (или большой) запас воды в цистерне удобно проверять её уровень на расстоянии, ведь обычно емкость находится где-то в труднодоступном месте на высоте.

Если емкость металлическая, то она может выступать одним электродом. Если пластиковая, то его придется сделать, но это не так сложно.

Прикасание к телу

В одном из устройств принцип изложенный выше был использован для обнаружения касания к телу человека, пример ниже.

*это электронный термометр; смотреть в правый верхний угол

Принцип действия автоматики

В системах автополива обычно действует правило «поливай или не поливай». Как правило, никто не нуждается в регулировании силы напора воды. Это связано с использованием дорогостоящих управляемых клапанов и других, ненужных, технологически сложных, устройств.

Почти все предлагаемые на рынке датчики влажности, помимо двух электродов, имеют в своей конструкции компаратор. Это простейший аналого-цифровой прибор, который преобразует входящий сигнал в цифровую форму. То есть при установленном уровне влажности вы получите на его выходе единицу или ноль (0 или 5 вольт). Этот сигнал и станет исходным для последующего исполнительного устройства.

Для автополива наиболее рациональным будет использование в качестве исполнительного устройства электромагнитного клапана. Он включается в разрыв трубы и может также использоваться в системах микро-капельного орошения. Включается подачей напряжения 12 В.

Для простых систем, работающих по принципу « датчик сработал — вода пошла», достаточно использование компаратора LM393. Микросхема представляет собой сдвоенный операционный усилитель с возможностью получения на выходе командного сигнала при регулируемом уровне входного. Чип имеет дополнительный аналоговый выход, который можно подключить к программируемому контроллеру или тестеру. Приблизительный советский аналог сдвоенного компаратора LM393 — микросхема 521СА3.

На рисунке представлено готовое реле влажности вместе с датчиком в китайском исполнении всего за 1$.

Ниже представлен усиленный вариант, с выходным током 10А при переменном напряжении до 250 В, за 3–4$.

Итого

Преимуществом емкостного датчика перед просто двумя голыми электродами является отсутствие электрохимической реакции (электролиза), при котором на контактах будут восстанавливатся вещества (из раствора) и портить почву, а кроме этого они будут сами коррозировать. Конечно можно этот процесс очень значительно замедлить (опрашивать датчик редко), но все же.

Медные площадки защищены маской, но будет ли она достаточно устойчива в суровых условиях? Рассматривается возможность дополнительного покрытия слоем лака/краски.

Изготовление емкостного датчика легко осуществляется при использовании технологий изготовления печатных плат, особенно это хорошо, когда остальные компоненты располагаются там же. Если же он должен быть велик, то здесь используем металлический лом.

Так как получаемые показания зависят от параметров датчика, то он требует калибровки.

Определитель влажности почвы для комнатных растений

Не имея специальных изме­рительных приборов, опреде­лить оптимальные сроки и нор­мы расхода воды при орошении трудно

Так или иначе, для этого важно как можно точнее знать, какова влажность поч­вы (в том числе в процентах полевой влагоемкости)

В книге Дж. Дженика «Основы садоводства» есть таблица, которая мо­жет помочь садоводу оценить «на ощупь» влажность почвысреднего и легкого механиче­ского состава.

Из нее следует, что сухая почва порошкооб­разна, полевая влагоемкость ее практически равна 0.

Иногда почва рассыпается и не скаты­вается в комок. Значит, она имеет критическую влаж­ность — полевая влагоемкость ее менее 25%.

Когда почва ска­тывается в комок, то при нескольких бросках он рассыпает­ся, это означает, что полевая влагоемкость 25—50%, почва умеренно влажная и настал срок полива.

Имейте в виду: на песчаных почвах скатанные комки более рыхлые и ломкие при любой из перечисленных степеней влаж­ности.

При 50—75% полевой влаго­емкости степень влажности поч­вы хорошая. В это время поч­ва скатывается в комок. И даже если вы пять раз его бросите, он не рассыпается. При сдав­ливании почвы она слегка бу­дет липнуть к рукам.

Отличная степень влажности при 75—100% полевой влаго­емкости. О ней можно судить по тому, что почва скатывается в прочный комок, очень податлива при сдавливании, лег­ко слипается. Если почву сда­вить сильнее, к пальцам при­липнет довольно большой комо­чек.

И совсем плохо, если поч­ва слишком влажная, выше по­левой влагоемкости. Иногда при сильном сжатии из комка мож­но выжать немного воды. По­ливать при таком ее состоянии не только расточительно, но даже вредно.