Сообщений в теме: 504

[UL7AAjr]

Небольшое резюме по бесконтактным датчикам влажности использующих следующую измерительную схему

 measure_circ.jpg   23.36К   10 Количество загрузок:

Где Cx - собственно эквивалент электродов + паразитная емкость самих электродов + паразитная емкость монтажа. 

 

Как видно из схемы, основным элементом является делитель напряжения образованный R1 и Cx. Графики, полученные экспериментальным путем вполне укладываются в данную модель.

 

Эффективность использования данной схемы зависит от правильного подбора частоты, номинала R1 и конструкции самого сенсора (электродов). Для того, чтобы понять, что от чего зависит, приведу несколько серий графиков. Все графики приведены для трех конструкций электродов с различной паразитной емкостью, но одинаковым диапазоном изменения емкости "на воздухе" и "в воде"

 

Зависимости при изменении частоты генератора

 depend_FREQ.jpg   130.54К   1 Количество загрузок:

 

Зависимости при изменении номинала R1 на одной частоте.

 depend_R1.jpg   128.75К   1 Количество загрузок:

 

Зависимости при изменении толщины диэлектрика на одинаковой частоте и одинаковым номиналом R1

 depend_DIEL.jpg   136.92К   2 Количество загрузок:

 

 

Как видно из первых двух серий графиков, изменение частоты и номинала R1 приводят к практически одинаковым результатам. 

 

Изменение толщины диэлектрика больше влияет на линейность. Увеличение толщины диэлектрика приводит к более линейной характеристике датчика с одновременным уменьшением динамического диапазона.

 

В общем-то графики ничего нового не показывают, но все-же решил собрать все в кучу для наглядности.

[UL7AAjr]

Всем доброго времени суток!

 

Поскольку текущая схема уже работает стабильно, то решил немного поэкспериментировать с другими вариантами. В общем-то идея уже давно бродила вокруг да около, но все руки не доходили проверить. Теперь появилось время поэкспериментировать. Результат хочу представить на обсуждение и опробование.

 

 

Измерительная цепь, можно сказать, полностью цифровая. Работает по принципу изменения параметров частотозадающей цепи генератора, собранного на U1. U2 - нормализует форму сигнала и разгружает генератор. Электроды соединяются параллельно с частотозадающим конденсатором C1, конденсатор нужен для уменьшения рабочей частоты генератора. Конструктивно электроды могут быть как штыревые, так и изготовленные на печатной плате со слоем диэлектрика (проще говоря, текущей конструкции).

 

На выходе генератора прямоугольные импульсы с частотой, линейно зависящей от влажности почвы. В качестве измерителя частоты сигнала подойдет практически любой МК с внешним входом таймера/счетчика. Например ATtiny2313.

 

 digital_mc.jpg   48.14К   8 Количество загрузок:

 

Я использовал HEF4093 из соображений наличия. По хорошему, надо бы использовать более скоростные 74AC132. По стабильности и чувствительности к помехам пока ничего сказать не могу, экспериментальных данных недостаточно. Надеюсь, что кто-то присоединится к испытаниям.

 

Ну вот вроде бы и все

[nikr]

Игорь, а есть смысл на мегагерцах генерить? Если процессор считающий частоту рядышком то наверное нормально, а если в удалении то килогерцы предпочтительней. Надо будет попозже поэкспериментировать. Пока еще дачный сезон не закрыт.....

[UL7AAjr]

Игорь, а есть смысл на мегагерцах генерить?

Николай, если честно - не знаю. В случае огорода, при электродах больших размеров, частота естественно упадет. Но при цене МК < 1$ не должно быть проблем с установкой его на каждый датчик. Можно к выходу МК подсоединить RC цепочку и через ШИМ выдавать аналоговый сигнал.  
 
Поэкспериментировать конечно надо. Все-таки линейность и простота этой схемы может к чему-нибудь полезному привести.

[UL7AAjr]

Помехозащищенность неважная, в горшке ощутимо реагирует на касание рукой. А вот для огорода самый раз будет. Расположенный в земле, автоматически защищен от помех. На плоских электродах 100 мм х 15 мм (расстояние 8 мм) показывает динамику от 300 КГц до 30 КГц. График линейный. Склоняюсь к использованию этой схемы в огороде.
 
PS: на алиэкспрессе появились STM8L051 по цене 3.37$ за 5 штук (0.68$ за единицу). Корпус SSOP20. Все, что нужно на борту есть, ну и как обычно, никакого обвеса.

 

Игорь, а часто вы манипулируете с цветочными горшками? Я думаю можно и там использовать, только усреднение делать чтобы аномальные выбросы отсечь.

 

Николай, вы правы. У меня проблемы с перфекционизмом, ненавижу фразу "и так пойдет":) Но тут получается необычайно простая и недорогая схема. Я понимаю, что это можно и нужно отладить и использовать. Поэкспериментирую с частотой и конструкцией электродов. Посмотрю, что можно "выжать" по максимуму. А там видно будет.

[dimmich]

А почему не желаете поэкспериментировать с более высокими частотами? Из-за ограничений микроконтроллеров? Я полагаю, на более высоких частотах можно добиться более стабильных результатов измерений (теория). Поделить эту высокую частоту на 2 или 4, и измерить. Итог: стабильность показаний датчика при разных состояниях грунта, будет занижена точность измерения из-за делителя, но возможно точность повысится из-за относительно большей реакции высокой частоты на влагу. Конечно бюджетность несколько страдает (делитель).

[nikr]

Дмитрий, я когда то смотрел исследование влажности грунтов на разных частотах, помнится до десятков ГГц, - больших различий не увидел. Потом еще такая мысль, что при увеличении частоты и потребление схемы будет возрастать. При первоначальной схеме с генератором и вч детектором входная частота для МК не существенна, а если еще интегратор на входе повесить.... Для второй версии датчика типа частотомера можно ваше предложение опробовать, но потребление датчика все равно будет значительно выше.

 

Частотный датчик для использования  с батарейным питанием мало пригоден. Микросхема генератора жрет ток даже если ничего не делает.

Игорь, генератор можно запускать только на время измерений.

[UL7AAjr]

Николай, у 74AC132 Maximum Quiescent 4..40 uA. Для батарейного питания многовато.  Ставить ключ на питание, который от трех вольт еще немного отъест - тоже плохо, да и схему усложняет.

[nikr]

А от пина МК разве нельзя запитать?

Можно, только схему подобрать чтобы при генерации не перегружал. А так идея свежая.

[UL7AAjr]

Ток великоват, просядет наверное. STM в этом плане слабоват. Но попробую. Может и получится.

две, три ноги МК запараллелить

Все нормально, практически не просаживается и от одной ноги. 
 
Не очень понимаю физику процесса, но при напряжении питания 3.30 В, выход логической "1" = 3.29 В, а с подключенным генератором 3.25 В. 
Частота генератора практически линейно зависит от напряжения питания: минус 10% питания это минус 10% частоты.  В общем-то не очень критично, если учесть, что с некоторыми конструкциями электродов, диапазон от 700 КГц до 35 КГц. Время старта генератора - практически мгновенно, пара периодов на рабочей частоте.
 
Теперь надо определится с рабочей частотой, чтобы минимизировать время измерения, и в то-же время сильно не поднять рабочий ток.
 
PS: заказал STM8L051, с печатками придется подождать.

[UL7AAjr]

Не стал дожидаться новых МК, собрал на чем было.

 

 IMAG0327.jpg   40.74К   9 Количество загрузок:

 

В общем ничего необычного. Динамический диапазон ровно такой, какая разница в емкости электродов в сухой и влажной почве. Что есть логично. А вот на воздухе и в воде - неверная прикидка динамического диапазона. При касании электродов воды, показания резко просаживаются на 30%..40% по сравнению с показаниями на воздухе. О чем Николай ранее предупреждал. Реальные значения c использованием двух штыревых электродов длиной 8 см в трех слоях термоусадки были ~1300 КГц (сухая почва) ... ~450 КГц (грязь). Серьезным недостатком является высокая чувствительность к наводкам. Касание горшка рукой или перестановка горшка близко к проводам сильно влияют на результат измерений. Даже сильнее, чем на 8-ми МГц датчиках на BAV99.

 

Можно сказать, что схема достаточно проста и работоспособна. Нелинейность все-же наблюдается, но не столь ярко выражена, как на предыдущих моделях датчиков. Из-за плохой помехоустойчивости, лучшее применение такие датчики найдут в огороде или оранжерее, где установленные в почву электроды автоматически защищены от помех.

 

PS: Для цветочных горшков я думаю вернуться к схеме с генератором на 80 МГц.

 

 

[UL7AAjr]

Не сочтите за рекламу. Вот для горшков можно приспособить в поливалке.
http://www.labmate-o...low_power/9344/

 

2010 год, наверное сейчас такое не найти, но это хорошее решение.

Вот производитель http://www.leeproduc...dic_systems.htm

Каталог запросил. Подождем....

[nikr]

если идти таким путем, то можно попробовать форсунки от инжектора для той же цели.
 

Разве они без давления будут работать?

Не, не, форсунки сгорят, они рассчитаны на импульсы малой скважности, да ещё охлаждаются бензином.

Ну во первых форсунки тот же клапан и без перепада давления ни через какой клапан жидкость не пойдет. ШИМ импульсы для управления не проблема и охлаждаться будут той же водой. Единственное препятствие, как я вижу, довольно высокая цена.

[UL7AAjr]

Немного дополнительной информации. Вдруг пригодится.

 

Я вот обнаружил, что включая светодиод всего на  1 мс на малом токе (1 мА), вспышка светодиода вполне заметна даже днем. Если включать светодиод на 1 мс каждые 2 сек, то дополнительное потребление составит всего 0.5 мкА. Вполне приемлемо. Поэтому усовершенствовал индикацию на беспроводном батарейном датчике. Теперь там два светодиода, синий и красный. Каждые две секунды производится индикация состояние датчика. Вспышка синего - последний обмен с главным модулем произошел успешно,  красная вспышка - ошибка в последнем обмене. В случае, если батарея разряжена, то добавляется индикация  в виде трех красных вспышек. В общем удобно получилось с минимальным расходом батареи.

 

Конструкцию не менял, установка на боковой стенке горшка.

 IMAG0408.jpg   39.59К   6 Количество загрузок:

 

 

Теперь о калибровке. Выработал простую методику. В стакан набираю землю типа как в горшке или более плотную, просто из огорода. Добавляю воды до консистенции жидкого бетона. Погружаю электроды на установочную глубину, это значит 100%. А вот 0% определяю не на воздухе, а погружая электроды на 1/8 длины. На практике, до этого значения земля вряд-ли просохнет, разве что месяц не поливать. Ну в общем-то близко к истине. Характеристики датчика тоже снимаю только в этом диапазоне от 1/8 до установочной длины.

 

Более толстые электроды при всех прочих равных условиях работают лучше. На графике характеристики датчика с электродами из велосипедных спиц Ф2мм (синий) и Ф2.5мм (зеленый). Длина электродов в обоих случаях 8 см. По горизонтали глубина погружения, по вертикали напряжение на АЦП в десятках мВ (напряжение питания 3.3В)

 

 2-25.jpg   50.82К   3 Количество загрузок:

 

PS: осторожно с генераторами от алиэкспресс. Мне попались без управления tristate(т.е. генератор всегда включен),  хотя в спецификации заявлено наличие управления.  Решить проблему можно запитывая генератор от ножки МК.

[antiplagiat]

тема я смотрю не теряет своей актуальности, тут и раньше было много букоф, а теперь даже много страницоф )

прочитать все уже не представляется возможным, а между тем если я правильно понял в теме уже было предложено несколько видов и модификаций,

ИМХО в пору разбить этот топик на подтемы !?

 

ЗЫ: вода это конечно очень важно для растений, но я теперь задумываюсь над не менее важными показателями почты такими как содержание азота, фосфора, калия... хотелось бы соорудить самодельное устройство с помощью которого можно было бы мониторить эти показатели... может кто уже копал эти темы?

[nikr]

тема я смотрю не теряет своей актуальности, тут и раньше было много букоф, а теперь даже много страницоф ) прочитать все уже не представляется возможным, а между тем если я правильно понял в теме уже было предложено несколько видов и модификаций, ИМХО в пору разбить этот топик на подтемы !?

На подтемы разбивать нет смысла, так как старые версии датчиков уже отработаны и не развиваются. Мои разработки выложены на сайте: http://gygrosensor.ucoz.ru/  При желании можете легко повторить.  

ЗЫ: вода это конечно очень важно для растений, но я теперь задумываюсь над не менее важными показателями почты такими как содержание азота, фосфора, калия... хотелось бы соорудить самодельное устройство с помощью которого можно было бы мониторить эти показатели... может кто уже копал эти темы?

Тут, боюсь, простого решения нет. Если предложите удобоваримый метод без хим лаборатории или спектроанализа, то можно будет обсудить.  

[UL7AAjr]

Небольшой  оффтоп около темы.

 

Решил я "дожать" схему с однокаскадным генератором на базе логического элемента с триггером Шмитта. Генератор обладает высокой линейной зависимостью частоты от емкости задающего конденсатора и может работать с большим диапазоном номиналов задающих конденсаторов. В итоге получилось сделать достаточно точный измеритель емкости, работающий в диапазоне от 0 до 2000 пФ. При измерении емкостей в пределах 100 пФ прибор отображает десятые доли пикофарад, более 100 пФ - целые значения. Прибор калибровался на наборе из 40 конденсаторов 5% точности. В результате точность прибора составила 1.5% .. 2%.

 

Собственно вот он

 2_side.jpg   51.51К   5 Количество загрузок:

 

Теперь ближе к теме. Естественно было измерить емкости электродов различной конструкции. Что интересно, независимо от  размера конструкции, значение емкости электродов в сухой и влажной почве (не в воде и воздухе, заметьте) изменялось в 1.5 .. 2 раза. Да, мало. И, похоже, ничего с этим не поделать, т.е. остается рассчитывать датчики именно на такой рабочий диапазон емкости. Растянуть диапазон можно искусственно, отрезая "нижние" показания и даже усиливая оставшийся сигнал.

 

А вот применение датчика на основе генератора и частотомера я все-же вижу перспективным. Несмотря на недостаток, связанный с помехоустойчивостью, такая конструкция обладает рядом неоспоримых преимуществ. Во-первых - простота конструкции. Во-вторых - отсутствие аналоговых сигналов. И в-третьих - один и тот-же датчик может работать с практически любой конструкцией и размером электродов. Я вот уже начал даже проектировать серию датчиков для огорода на основе такой конструкции. Судя по скорости доставки радиодеталей - весна уже на носу

 

В двух словах о датчике. Четыре генератора на одной микросхеме 74AC132, мультиплексор 74AC151 и МК STM8L051F3 (<1$ за штуку). Датчик будет иметь четыре генераторных электрода по периметру и один земляной по центру. Интерфейс - четыре провода, два - питания и два RS232 для связи с управляющим модулем (который клапана открывает и центральному модулю по радио докладывает). С точки зрения черного ящика - устройство регулярно передает по RS232 среднее значение емкости четырех электродов. Примерно вот так будет выглядеть начинка датчика

 4_ch.jpg   49.83К   2 Количество загрузок:

 

В общем не надо задвигать в дальний угол датчик на основе частотомера. Он еще пригодится, и может быть даже в цветочных горшках.

 

PS: наконец-то приехали импульсные клапана с защелкой. Для управления планирую  использовать H-Bridge L9110S (6.5$ за 20 шт., тоже уже приехали). Пока не пробовал.

 

 

 

[vovka.sv19]

Вот наткнулся, может кому будет интересно: Изготовление датчика влажности

[nikr]

В чистом виде этот датчик не очень интересен, а вот если заменить гипсовый сенсор на конденсаторный, то конструкция получится нормальная - правда дорогая немного из за применения специальной далласовской микросхемы.

[ocelot145]

По работе моя компания сотрудничает с компанией "НПК Рэлсиб" не слышали про них? Они делаю неплохие датчики влажности . Их продукция универсальна, мы используем ее чтобы контролировать температура при перевозке товаров, но у них на сайте например что возможно применения так же для контролирования влажности почвы, попробуйте

 

Так это для измерения влажности воздуха....