Arduino冷鏡式濕度計

描述

關于

可以通過許多不同的方式測量濕度。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)運行時會很快失去準確性。冷鏡濕度計不會遇到這個問題，而且更準確，尤其是在高濕度范圍內。不幸的是，商用冷鏡濕度計的成本高達數(shù)千美元。不過基本操作還是很簡單的，自己動手做一個也是可以的。它不會像商用設備那樣具有 0.1 度的精度，但對于大多數(shù)用途來說它已經足夠好了，而且肯定比電容式傳感器更準確。

這個項目是一個概念證明，絕不是生產就緒。可以進行許多改進，但它證明了它有效的事實。

這個怎么運作

冷鏡濕度計使用珀耳帖 (TEC) 來冷卻反射表面，直到出現(xiàn)冷凝。使用光源和光學傳感器檢測冷凝。鏡面溫度在冷凝出現(xiàn)時被記錄下來。這個溫度相當于露點。然后可以使用露點和環(huán)境溫度計算相對濕度。

簡化

與商用設備相比，這款 DIY 冷鏡濕度計有一些不同之處。

商業(yè)冷鏡濕度計不使用傳統(tǒng)的鏡子，因為它不能很好地傳導和分配熱量，從而導致精度和效率降低。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，拋光的不銹鋼板會更好。

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

商業(yè)冷鏡濕度計使用約 5 毫米而不是 4 厘米的小得多的鏡子。因為它需要更少的功率并且具有更小的外形尺寸。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，需要定制驅動器。將 SMD 溫度計安裝到小鏡面上同時留出足夠的空間來反射一些光也比較困難。

當前版本沒有遮光外殼。不過，這可以很容易地進行 3D 打印，強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。如果您確實制作了 3d 打印外殼，請確保它通風良好。您可以使用 Peltier 風扇進行通風，但一定要將空氣吸入外殼，而不是吹入外殼。內部也必須易于清潔鏡子。

目前的實施無法測量霜點，因為這需要區(qū)分冰粒和水滴，這需要第二個光學傳感器來測量散射光。

如何建造

拿起 Peltier，清潔兩個表面，然后將導熱粘合劑放在熱的一側。確保它分布均勻。如果沒有導熱膠，可以使用導熱膏，在邊緣附近滴幾滴強力膠。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。

當所有膠水干透后，裝上風扇。確保使用功率足夠大的風扇來冷卻散熱器，因為它會變得很熱。如何將風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、散熱器和風扇

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打開風扇，然后打開 Peltier，檢查鏡子上是否至少有兩個區(qū)域同時出現(xiàn)冷凝。不要為 Peltier 供電太久，因為這肯定會產生均勻的冷凝曲線。你想看看凝結剛好變得可見時的樣子。如果您對結果不滿意，請使用新的 Peltier、反射鏡和散熱器重試，因為您不太可能移除部件并恢復光滑表面。

全冷凝不利于區(qū)域檢測

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部分冷凝有利于選擇合適的傳感器區(qū)域

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我沒有均勻分布導熱膏，導致不規(guī)則的冷凝剖面，如上圖所示。

拍攝照片或標記同時出現(xiàn)冷凝的區(qū)域很重要，因為這是您必須安裝鏡面溫度傳感器并測量從鏡子反射的光量的區(qū)域。

在這個項目中，我使用 Si7021 來測量反射鏡溫度，因為它提供低噪聲輸出。不幸的是，I2C 地址是硬編碼的，因此您只能使用其中一個傳感器。對于環(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為我碰巧有它們可用。

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電導熱膏。PCB 也應該涂上導熱膏，以防止電子設備上出現(xiàn)冷凝。然后在 PCB 的每個角上涂上 4 大滴熱熔膠。你必須快速行動。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，請用熱膠或噴涂塑料進行絕緣。

安裝溫度計

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風扇由 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)點是響應更好，但更難對準。LED 具有更平坦的響應，因為更多的光被散射到周圍，但它更容易對齊。如果您使用 LED，請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，因為這會干擾光傳感器。相反，只需將一個電阻器與 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固。兩端用熱膠固定。這對于概念驗證很有用，但它也太脆弱而無法在實驗室（或地下室）環(huán)境中使用。不過，很容易將傳感器和光源對齊。更好的方法是 3d 打印這些設備的支架，這也是因為 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

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為了控制 Peltier，使用了 BTS7960 電機驅動器。驅動 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 電機驅動器那樣容易獲得，對于這個概念驗證，功耗不是一個因素。

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組裝完成后，將代碼上傳到 Arduino 并使用電位器調整 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。請參閱 OPT101 數(shù)據(jù)表，圖 3 - 電壓響應與輻照度的關系。為了進行調試，您可以對著鏡子吹氣以產生冷凝，或者在傳感器前面放置一個物體。如果您有空調，請嘗試將其打開（或關閉）并等待。您將能夠看到濕度變化。

在下圖中，您可以看到溫度（藍色）、光學讀數(shù)（紅色）和測得的露點（綠色）。當我剛關掉空調時，你可以看到露點在上升。

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安全

盡管提供的代碼不支持這一點，但硬件除了可以冷卻鏡子外，還可以加熱鏡子。這是通過簡單地恢復 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時間。此外，閃蒸冷凝可去除小污染物。不過這也存在安全隱患，因為鏡面沒有散熱片。如果代碼在加熱帕爾貼時卡住，最好的情況是它會熔化固定溫度計的熱膠，最壞的情況是它會因電線熔化導致短路而起火。

準確性

由于測得的露點溫度是絕對值，因此校準不如電容式或電阻式濕度計重要。然而，鏡面溫度傳感器區(qū)域和光感應區(qū)域之間至少會存在一些溫度差異。如果您需要驗證讀數(shù)的準確性，您可以使用經過校準的商用冷鏡濕度計來校準設備。

至于鏡子污染，這只是部分問題。反射光讀數(shù)不是絕對的，而是相對于冷卻循環(huán)開始的。當冷卻循環(huán)開始時，鏡子沒有冷凝。測量反射光量并將其用作檢測結露的參考。如果鏡子被污染并且反射的光較少，應該不會影響凝結檢測。但是，某些污染物會降低或升高冷凝發(fā)生的溫度，因此為了獲得最佳精度，請不時清潔鏡面。

鏡子和環(huán)境溫度傳感器不需要具有很高的校準精度，但分辨率必須很高。例如，如果實際溫度為 24.0 度，但實際測量值為 24.5 度，只要鏡子和環(huán)境溫度計的測量值也為 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。許多溫度計的抖動為 0.2 或 0.3 度。最好將 TSYS01 溫度傳感器用于鏡面溫度和環(huán)境溫度測量，因為這些傳感器提供與 0.1 度的鉑電阻溫度計相同的精度。

溫度傳感器與鏡面接觸良好非常重要。使用非導電導熱膏勢在必行。

不要讓鏡子的冷卻速度快于溫度計的響應時間，否則感測的露點會不準確。

溫度傳感器必須放置在鏡子上同時出現(xiàn)光感區(qū)域凝結的位置。

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

冷鏡式濕度計的熱圖像

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從技術上講，濕度讀數(shù)也取決于大氣壓力，但在周圍環(huán)境中影響非常小。關門聲引起的任何壓力變化，以及在建筑物內造成壓差的外部風吹，都可能造成比其價值更多的問題。

Peltier 散熱器的熱空氣不應被吸到反射鏡上方。

緩慢的溫度下降會提供更準確的讀數(shù)，但也會縮短響應時間。不過，可以通過將溫度振蕩到接近露點來改善響應時間。