Arduino冷镜式湿度计

描述

关于

可以通过许多不同的方式测量湿度。最流行的方法是使用电容式湿度传感器。不幸的是，这些传感器在非常潮湿的环境中连续运行时会很快失去准确性。冷镜湿度计不会遇到这个问题，而且更准确，尤其是在高湿度范围内。不幸的是，商用冷镜湿度计的成本高达数千美元。不过基本操作还是很简单的，自己动手做一个也是可以的。它不会像商用设备那样具有 0.1 度的精度，但对于大多数用途来说它已经足够好了，而且肯定比电容式传感器更准确。

这个项目是一个概念证明，绝不是生产就绪。可以进行许多改进，但它证明了它有效的事实。

这个怎么运作

冷镜湿度计使用珀耳帖 (TEC) 来冷却反射表面，直到出现冷凝。使用光源和光学传感器检测冷凝。镜面温度在冷凝出现时被记录下来。这个温度相当于露点。然后可以使用露点和环境温度计算相对湿度。

简化

与商用设备相比，这款 DIY 冷镜湿度计有一些不同之处。

商业冷镜湿度计不使用传统的镜子，因为它不能很好地传导和分配热量，从而导致精度和效率降低。这些器件大多采用镀铂或镀铑的铜作为镜面。由于这既不易获得也不符合成本效益，因此在这款 DIY 冷镜湿度计中使用了普通镜子。一面小方镜比圆镜好，但我找不到。作为替代方案，抛光的不锈钢板会更好。

商用冷镜湿度计使用嵌入镜面下方的铂电阻温度计 (PRT)，而不是安装在镜面的 SMD 温度计。PRT 需要额外的电子设备并将其安装在珀耳帖和镜子之间，同时提供良好的导热性是有问题的。将温度计安装到镜面的缺点是会改变热分布特性，从而降低精度。但是表面安装的温度计更容易制造并且足够准确。

商业冷镜湿度计使用约 5 毫米而不是 4 厘米的小得多的镜子。因为它需要更少的功率并且具有更小的外形尺寸。然而，小镜子和匹配的 Peltier 不像大镜子那样容易获得。此外，小型 Peltier 需要非常低的电压，需要定制驱动器。将 SMD 温度计安装到小镜面上同时留出足够的空间来反射一些光也比较困难。

当前版本没有遮光外壳。不过，这可以很容易地进行 3D 打印，强烈建议使用它来阻挡外部光源的干扰。它还可用于固定光源和光传感器。如果您确实制作了 3d 打印外壳，请确保它通风良好。您可以使用 Peltier 风扇进行通风，但一定要将空气吸入外壳，而不是吹入外壳。内部也必须易于清洁镜子。

目前的实施无法测量霜点，因为这需要区分冰粒和水滴，这需要第二个光学传感器来测量散射光。

如何建造

拿起 Peltier，清洁两个表面，然后将导热粘合剂放在热的一侧。确保它分布均匀。如果没有导热胶，可以使用导热膏，在边缘附近滴几滴强力胶。这同样有效。清洁散热片表面并将散热片和 Peltier 压在一起，让胶水干燥。

将散热器连接到 Peltier 并且胶水干燥后，以相同的方式连接镜子，确保首先清洁底面。重要的是导热膏均匀分布并且没有气隙存在，否则镜子上的热量分布将不均匀。

当所有胶水干透后，装上风扇。确保使用功率足够大的风扇来冷却散热器，因为它会变得很热。如何将风扇连接到散热器取决于您使用的散热器类型。我只是用热胶枪将两者粘在一起。

珀耳帖、反射镜、散热器和风扇

 

打开风扇，然后打开 Peltier，检查镜子上是否至少有两个区域同时出现冷凝。不要为 Peltier 供电太久，因为这肯定会产生均匀的冷凝曲线。你想看看凝结刚好变得可见时的样子。如果您对结果不满意，请使用新的 Peltier、反射镜和散热器重试，因为您不太可能移除部件并恢复光滑表面。

全冷凝不利于区域检测

 

部分冷凝有利于选择合适的传感器区域

 

我没有均匀分布导热膏，导致不规则的冷凝剖面，如上图所示。

拍摄照片或标记同时出现冷凝的区域很重要，因为这是您必须安装镜面温度传感器并测量从镜子反射的光量的区域。

在这个项目中，我使用 Si7021 来测量反射镜温度，因为它提供低噪声输出。不幸的是，I2C 地址是硬编码的，因此您只能使用其中一个传感器。对于环境温度，我使用 DS18B20 温度传感器，但它的精度不是很高。我使用这些传感器的唯一原因是因为我碰巧有它们可用。

要将 Si7021（或任何基于 PCB 的温度传感器）安装到镜子上，首先在温度传感器上滴一大滴非导电导热膏。PCB 也应该涂上导热膏，以防止电子设备上出现冷凝。然后在 PCB 的每个角上涂上 4 大滴热熔胶。你必须快速行动。在均匀出现冷凝水的位置将传感器按在镜子上。确保水平放置传感器并将传感器用力按在镜子上。热胶一接触镜子就会很快凝固。如果您需要重新定位传感器，您可以轻松地用开箱刀刀头将其刮掉，剥掉胶水，然后再试一次。如果 PCB 上有冷凝水，请用热胶或喷涂塑料进行绝缘。

安装温度计

 

风扇由 IRF520 MOSFET 模块控制。

使用的光传感器为OPT101，灵敏度高，输出噪声低，使用方便。

对于光源，您可以使用低功率激光二极管或普通 LED。我都试过了，它们都工作正常。激光的优点是响应更好，但更难对准。LED 具有更平坦的响应，因为更多的光被散射到周围，但它更容易对齐。如果您使用 LED，请确保它输出聚焦光束。

LED 和激光输出可能太高，使用 PWM 来降低输出不是一种选择，因为这会干扰光传感器。相反，只需将一个电阻器与 LED 或激光器串联以降低输出。

为了安装 LED 或激光器和 OPT101 光传感器，我使用一些铜线拧入锁定线以使其更坚固。两端用热胶固定。这对于概念验证很有用，但它也太脆弱而无法在实验室（或地下室）环境中使用。不过，很容易将传感器和光源对齐。更好的方法是 3d 打印这些设备的支架，这也是因为 3d 打印的外壳是防止外部光线干扰的必要条件。

安装 LED 和 OPT101 光传感器

 

为了控制 Peltier，使用了 BTS7960 电机驱动器。驱动 Peltier 的最有效方法是改变电流，而不是使用 PWM。然而，Peltier 控制器不像 BTS7960 电机驱动器那样容易获得，对于这个概念验证，功耗不是一个因素。

 

组装完成后，将代码上传到 Arduino 并使用电位器调整 OPT101 灵敏度范围。更高的电阻意味着相同光量的更高电压输出。请参阅 OPT101 数据表，图 3 - 电压响应与辐照度的关系。为了进行调试，您可以对着镜子吹气以产生冷凝，或者在传感器前面放置一个物体。如果您有空调，请尝试将其打开（或关闭）并等待。您将能够看到湿度变化。

在下图中，您可以看到温度（蓝色）、光学读数（红色）和测得的露点（绿色）。当我刚关掉空调时，你可以看到露点在上升。

 

安全

尽管提供的代码不支持这一点，但硬件除了可以冷却镜子外，还可以加热镜子。这是通过简单地恢复 Peltier 上的极性来完成的。镜面加热可用于快速消除冷凝并改善响应时间。此外，闪蒸冷凝可去除小污染物。不过这也存在安全隐患，因为镜面没有散热片。如果代码在加热帕尔贴时卡住，最好的情况是它会熔化固定温度计的热胶，最坏的情况是它会因电线熔化导致短路而起火。

准确性

由于测得的露点温度是绝对值，因此校准不如电容式或电阻式湿度计重要。然而，镜面温度传感器区域和光感应区域之间至少会存在一些温度差异。如果您需要验证读数的准确性，您可以使用经过校准的商用冷镜湿度计来校准设备。

至于镜子污染，这只是部分问题。反射光读数不是绝对的，而是相对于冷却循环开始的。当冷却循环开始时，镜子没有冷凝。测量反射光量并将其用作检测结露的参考。如果镜子被污染并且反射的光较少，应该不会影响凝结检测。但是，某些污染物会降低或升高冷凝发生的温度，因此为了获得最佳精度，请不时清洁镜面。

镜子和环境温度传感器不需要具有很高的校准精度，但分辨率必须很高。例如，如果实际温度为 24.0 度，但实际测量值为 24.5 度，只要镜子和环境温度计的测量值也为 24.5（可以归一化）并且该数字仅保留一位小数，就可以了。许多温度计的抖动为 0.2 或 0.3 度。最好将 TSYS01 温度传感器用于镜面温度和环境温度测量，因为这些传感器提供与 0.1 度的铂电阻温度计相同的精度。

温度传感器与镜面接触良好非常重要。使用非导电导热膏势在必行。

不要让镜子的冷却速度快于温度计的响应时间，否则感测的露点会不准确。

温度传感器必须放置在镜子上同时出现光感区域凝结的位置。

在镜面上安装温度传感器会改变热分布，从而降低精度。使用红外测温仪作为替代方案可能很诱人，但不幸的是，镜子会反射一定量的热辐射，因此测量结果会受到周围环境的影响。

冷镜式湿度计的热图像

 

从技术上讲，湿度读数也取决于大气压力，但在周围环境中影响非常小。关门声引起的任何压力变化，以及在建筑物内造成压差的外部风吹，都可能造成比其价值更多的问题。

Peltier 散热器的热空气不应被吸到反射镜上方。

缓慢的温度下降会提供更准确的读数，但也会缩短响应时间。不过，可以通过将温度振荡到接近露点来改善响应时间。