Радиочастотный датчик влажности

Многократно описанные в литературе датчики дождя и влажности основаны на измерении сопротивления между контактами-щупами, помещаемыми в контролируемую среду (например, в почву). В предлагаемой схеме управление нагрузкой осуществляется с помощью генератора частоты звукового диапазона L1, катушку которого зарывают в почву. Эта схема реагирует не на омическое сопротивление среды, а на проводимость звуковых волн во влажной или сухой среде. Влажная почва сделает работу генератора невозможной - произойдет уменьшение амплитуды и срыв колебаний. По величине погашения энергии в катушке определяется степень влажности почвы. Метод представляет интерес как альтернативный контроль состояния почвы по сравнению с методами измерения электрического сопротивления на участке почвы. Такой альтернативный метод был предложен журналом Popular Electronics, однако приведенная там электрическая схема при повторении показала себя неработоспособной. Добавив в схему транзистор VT1 и самодельную (вместо промышленно изготовленной) катушку И, удалось реализовать новый прибор лучшего качества (рис. 5.22). Относительно громоздкие размеры катушки позволяют применять прибор на приусадебном участке с любым составом почв в практически любом климатическом поясе. А вот для контроля влажности земли, например, в цветочном горшке, если только цветок - не пальма, устройство неэффективно. Глубина погружения катушки индуктивности L1 должна быть не менее 40...50 см.

Рис. 5.22

Транзистор VT2, катушка индуктивности И и конденсаторы С2, СЗ образуют простой автогенератор. Колебания возбуждаются на частоте около 16 кГц. При сухой почве или размещении катушки L1 вне влажной среды генерация происходит нормально - размах импульсов на коллекторе транзистора VT2 около 3 В. Цепь С4 R4 с указанными значениями элементов обеспечивает усиление импульсов автогенератора на частоте резонанса.

Транзистор VT1, включенный по схеме эмиттерного повторителя, уменьшает влияние нагрузочных цепей на работу генератора. Диоды VD1, VD2 преобразуют импульсы автогенератора в постоянный ток. В качестве этих диодов, кроме указанных на схеме КД503, можно использовать приборы КД521, КД522 с любыми буквенными индексами. Несмотря на свое германиевое происхождение хорошо работают в детекторе диоды Д220Б.

Детектированный диодами постоянный ток задает смещение в базу ключевого транзистора ѴТЗ. Усиленные транзистором ѴТ2 импульсы автогенератора пройдут через разделительный конденсатор С5 (он не пропустит постоянную составляющую напряжения), выпрямятся диодами VD1, VD2 и откроют транзистор ѴТЗ - включится реле и нагрузка. Транзистор ѴТЗ включает реле управления К1, как только выходное напряжение генератора окажется достаточным для открытия этого транзистора. Если размах импульсов автогенератора на коллекторе транзистора ѴТ2 мал (менее 1 В, что свидетельствует о влажной среде вокруг L1) - транзистор ѴТ1 не открывается полностью и напряжение смещения на базе ѴТЗ недостаточно для его открытия. Реле обесточено.

В качестве нагрузки применяют любую схему звуковой сигнализации. Маломощное реле К1 применяют на напряжение срабатывания 7...10 В. В качестве нагрузки прибора радетельный дачник может использовать водяной насос с питанием от сети 220 В. В таком случае контакты реле К1 должны коммутировать мощное реле на соответствующее напряжение, например, МКУ-48С, а оно своими контактами будет подавать напряжение на насос. Диод VD3 препятствует броскам обратного тока через переход эмиттер-коллектор ѴТЗ в моменты включения/выключения реле. Чувствительность генератора к изменению влажности почвы устанавливается многооборотистым переменным резистором R3 (типа СП5-1 Б).

Катушка L1 намотана на пластмассовом каркасе длиной 30 см с внешним диаметром 100 мм и содержит 250 витков провода марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 1мм, намотанного виток к витку. Сверху намотку закрепляют двойным слоем изоленты.

На практике установлено, что кроме влажности на колебания генератора с помещенной в почву катушкой L1 влияют такие параметры, как частота генератора, глубина зарывания катушки и температура среды (почвы). Оптимальная глубина зарывания катушки 45...55 см. На этой глубине зондирования устройство надежно работает, контролируя влажность почвы в теплице с рассадой огурцов. Длина соединительных проводов от катушки к схеме не должна превышать 1 м. Элементы устройства монтируют навесным монтажом на перфорированную монтажную плату размерами 50x70 мм. «Начинка» прячется в металлический корпус от помехоподавляющего фильтра для грузовых автомобилей или другой подходящий.

Внутри корпуса размещается блок питания с понижающим трансформатором и стабилизатором КР142ЕН12Б, выдающий напряжение 12 В, само устройство и дополнительную звуковую схему, если в ней есть необходимость. Светодиод VD4 индицирует режим «включено» прибора. Тумблер S1 подает питание на схему. Требования к корпусу - влагонепроницаемость. На торцевой стенке монтируется разъем типа РП10-11, который соединяет элементы схемы с сетевым напряжением 220 В, соединительными проводами катушки L1 и, при необходимости, с портативным водяным насосом.

Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Оксидный конденсатор С8, сглаживающий пульсации напряжения - типа К50-20. Диодный мост VD5-VD8 любой маломощный из серий КЦ402, КЦ405. Стабилизатор D1 устанавливать на радиатор не нужно, поскольку ток, потребляемый схемой, очень мал - 20 (50) мА при выключенном (включенном) реле К1. VD4 - любой светодиод. Трансформатор Т1 типа ТПП127-220-50-27 (необходимо соединить перемычками обмотки 4-5, 11-12, 13-14) или любой промышленно изготовленный на напряжение вторичной обмотки 13...17 В.

Схема не требует настройки и при исправных деталях начинает работать сразу после сборки. Работу генератора проверяют на рабочем столе, подключая щуп осциллографа к коллектору транзистора VT2. Регулировкой R3 добиваются максимального размаха импульсов в точке А. Регулировка прибора сводится к установке уровня порогового срыва генерации автогенератора (чувствительность). Для этого катушку индуктивности L1 помещают в сухую почву на указанную глубину, подают питание на схему прибора с подключенной звуковой схемой, изменением сопротивления переменного резистора R3 добиваются включения реле К1, контролируя это по звуку. Оптимальное положение движка R3 - такое, при котором устройство работает стабильно (реле К1 включается) в течение серии из нескольких проверок включения/выключения тумблера S1.

После установки порога чувствительности переходят ко второму этапу регулировки - увлажняют почву в месте зондирования катушки L1. Так как вода растворяется в земле инертно, то для при нудительного ее увлажнения надо вылить на испытуемый участок земли 2-3 литра воды. Через несколько минут звуковая индикация прибора должна прекратиться. Регулировка может отличаться от указанной методики в зависимости от состава почвы и ее температуры. Так, для осеннего и весеннего применения прибора (относительно летнего сезона, когда средняя температура почвы составляет 15°С) приходится снова регулировать чувствительность генератора.

Литература: А. П. Кашкаров, А. Л. Бутов - Радиолюбителям схемы, Москва 2008