Arduino-Kühlspiegel-Hygrometer

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Über dieses Projekt

Über

Die Messung der Luftfeuchtigkeit kann auf viele verschiedene Arten erfolgen. Die beliebteste Methode ist die Verwendung eines kapazitiven Feuchtigkeitssensors. Leider verlieren diese Sensoren schnell an Genauigkeit, wenn sie kontinuierlich in einer sehr feuchten Umgebung betrieben werden. Ein Taupunktspiegel-Hygrometer leidet nicht unter diesem Problem und ist auch viel genauer, insbesondere im Bereich hoher Luftfeuchtigkeit. Leider kostete ein kommerzielles Kühlspiegel-Hygrometer buchstäblich Tausende von Dollar. Die grundlegende Bedienung ist jedoch recht einfach, so dass es möglich ist, selbst einen zu erstellen. Er hat nicht die gleiche Genauigkeit von 0,1 Grad wie ein kommerzielles Gerät, aber für die meisten Zwecke ist er gut genug und sicherlich genauer als ein kapazitiver Sensor.

Dieses Projekt ist ein Proof of Concept und noch lange nicht serienreif. Viele Verbesserungen können vorgenommen werden, aber es beweist die Tatsache, dass es funktioniert.

So funktioniert's

Ein Taupunktspiegel-Hygrometer verwendet einen Peltier (TEC), um eine reflektierende Oberfläche zu kühlen, bis Kondensation auftritt. Die Kondensation wird mit einer Lichtquelle und einem optischen Sensor erkannt. Die Spiegeloberflächentemperatur wird in dem Moment protokolliert, in dem Kondensation auftritt. Diese Temperatur entspricht dem Taupunkt. Anhand des Taupunktes und der Umgebungstemperatur kann dann die relative Luftfeuchtigkeit berechnet werden.

Vereinfachung

Es gibt einige Unterschiede bei diesem DIY-Kühlspiegel-Hygrometer im Vergleich zu einem kommerziellen Gerät.

Ein handelsübliches Taupunktspiegel-Hygrometer verwendet keinen herkömmlichen Spiegel, da dieser die Wärme nicht sehr gut leitet und verteilt, was zu einer Verringerung der Genauigkeit und Effizienz führt. Diese Geräte verwenden meist platin- oder rhodiniertes Kupfer als Spiegel. Da dies weder leicht erhältlich noch kostengünstig ist, wird in diesem DIY-Kühlspiegel-Hygrometer ein normaler Spiegel verwendet. Ein kleiner quadratischer Spiegel wäre besser als ein runder, aber ich konnte keinen finden. Alternativ wäre eine polierte Edelstahlplatte noch besser.

Ein handelsübliches Taupunktspiegel-Hygrometer verwendet ein unter dem Spiegel eingebettetes Platin-Widerstandsthermometer (PRT) anstelle eines an der Spiegeloberfläche montierten SMD-Thermometers. Ein PRT erfordert zusätzliche Elektronik und deren Montage zwischen Peltier und Spiegel bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit ist problematisch. Der Nachteil der Montage eines Thermometers an der Spiegeloberfläche besteht darin, dass die Wärmeverteilungseigenschaften verändert werden, wodurch die Genauigkeit verringert wird. Aber ein oberflächenmontiertes Thermometer ist viel einfacher zu bauen und genau genug.

Ein handelsübliches Taupunktspiegel-Hygrometer verwendet einen viel kleineren Spiegel von etwa 5 mm statt 4 cm. da dies weniger Strom erfordert und einen kleineren Formfaktor hat. Ein kleiner Spiegel und passendes Peltier sind jedoch nicht so leicht erhältlich wie die größere Variante. Darüber hinaus erfordert ein kleines Peltier eine sehr niedrige Spannung, was einen benutzerdefinierten Treiber erfordert. Es ist auch schwieriger, ein SMD-Thermometer auf einer kleinen Spiegelfläche zu montieren und dabei genügend Platz zu lassen, um etwas Licht zu reflektieren.

Die aktuelle Version hat kein lichtblockierendes Gehäuse. Dies kann jedoch problemlos in 3D gedruckt werden und wird dringend empfohlen, um Störungen durch externe Lichtquellen auszuschließen. Es kann auch verwendet werden, um die Lichtquelle und den Lichtsensor an Ort und Stelle zu halten. Wenn Sie ein 3D-gedrucktes Gehäuse herstellen, stellen Sie sicher, dass es gut belüftet ist. Sie können den Peltier-Lüfter zur Belüftung verwenden, aber achten Sie darauf, dass Sie Luft in das Gehäuse saugen und nicht hineinblasen. Auch das Innere muss für die Spiegelreinigung gut zugänglich sein.

Die aktuelle Implementierung kann den Frostpunkt nicht messen, da dies eine Unterscheidung zwischen Eispartikeln und Wassertröpfchen erfordert, was einen zweiten optischen Sensor zur Messung des Streulichts erfordert.

So bauen Sie

Nehmen Sie den Peltier, reinigen Sie beide Oberflächen und bringen Sie den Wärmeleitkleber auf die heiße Seite. Stellen Sie sicher, dass es gleichmäßig verteilt ist. Wenn Sie keinen Wärmeleitkleber haben, können Sie Wärmeleitpaste mit einigen Tropfen Sekundenkleber in der Nähe der Kanten verwenden. Das funktioniert genauso gut. Reinigen Sie die Oberfläche des Kühlkörpers und drücken Sie den Kühlkörper und Peltier zusammen und lassen Sie den Kleber trocknen.

Nachdem der Kühlkörper am Peltier befestigt ist und der Kleber getrocknet ist, bringen Sie den Spiegel auf die gleiche Weise an und achten Sie darauf, zuerst die Unterseite zu reinigen. Wichtig ist, dass die Wärmeleitpaste gleichmäßig verteilt wird und keine Luftspalte vorhanden sind, da sonst die Wärmeverteilung auf dem Spiegel ungleichmäßig ist.

Wenn der Kleber getrocknet ist, befestigen Sie den Ventilator. Stellen Sie sicher, dass Sie einen Lüfter verwenden, der stark genug ist, um den Kühlkörper zu kühlen, da dieser ziemlich heiß wird. Wie der Lüfter am Kühlkörper befestigt wird, hängt von der Art des verwendeten Kühlkörpers ab. Ich habe die beiden einfach mit einer Heißklebepistole zusammengeklebt.

Schalten Sie den Lüfter und dann den Peltier ein, um zu überprüfen, ob es auf dem Spiegel mindestens zwei Bereiche gibt, in denen gleichzeitig Kondenswasser auftritt. Betreiben Sie den Peltier nicht zu lange, da dies mit Sicherheit ein gleichmäßiges Kondensationsprofil erzeugt. Sie wollen sehen, wie es aussieht, wenn die Kondensation gerade sichtbar wird. Wenn Sie mit dem Ergebnis nicht zufrieden sind, versuchen Sie es erneut mit neuem Peltier, Spiegel und Kühlkörper, da es unwahrscheinlich ist, dass Sie die Teile entfernen und die glatte Oberfläche wiederherstellen können.

Ich habe die Wärmeleitpaste nicht gleichmäßig verteilt, was zu einem unregelmäßigen Kondensationsprofil führte, wie Sie auf dem Foto oben sehen können.

Es ist wichtig, gleichzeitig ein Foto zu machen oder den Bereich zu markieren, in dem sich die Kondensation zeigt, da dies der Bereich ist, in dem Sie den Spiegeloberflächentemperatursensor montieren und die vom Spiegel reflektierte Lichtmenge messen müssen.

In diesem Projekt verwende ich einen Si7021, um die Spiegeltemperatur zu messen, da er eine geringe Rauschleistung liefert. Leider ist die I2C-Adresse fest codiert, sodass Sie nur einen dieser Sensoren verwenden können. Für die Umgebungstemperatur verwende ich einen DS18B20 Temperatursensor, der jedoch keine sehr hohe Genauigkeit hat. Der einzige Grund, warum ich diese Sensoren verwende, ist, dass ich sie zufällig zur Verfügung habe.

Um den Si7021 (oder einen beliebigen PCB-basierten Temperatursensor) am Spiegel zu montieren, geben Sie zuerst einen großen Tropfen nicht elektrisch leitfähiger Wärmeleitpaste auf den Temperatursensor. Auch die Platine sollte mit Wärmeleitpaste abgedeckt werden, um Kondenswasserbildung auf der Elektronik zu vermeiden. Legen Sie dann 4 große Kleckse Heißkleber auf jede Ecke der Platine. Sie müssen sich schnell bewegen. Drücken Sie den Sensor an der Stelle, an der sich gleichmäßig Kondenswasser zeigte, gegen den Spiegel. Achten Sie darauf, den Sensor waagerecht zu platzieren und den Sensor fest gegen den Spiegel zu drücken. Der Heißkleber wird schnell fest, sobald er den Spiegel berührt. Wenn Sie den Sensor neu positionieren müssen, können Sie ihn einfach mit einem Cuttermesser abkratzen, den Kleber abziehen und es erneut versuchen. Wenn Sie Kondenswasser auf der Platine haben, isolieren Sie sie mit Heißkleber oder aufgespritztem Kunststoff.

Der Lüfter wird von einem IRF520 MOSFET-Modul gesteuert.

Der verwendete Lichtsensor ist ein OPT101, der empfindlich ist, ein geringes Ausgangsrauschen hat und einfach zu bedienen ist.

Als Lichtquelle können Sie entweder eine Laserdiode mit geringer Leistung oder eine normale LED verwenden. Ich habe beide probiert und beide funktionieren einwandfrei. Der Laser hat den Vorteil einer besseren Reaktion, ist aber schwieriger auszurichten. Die LED reagiert flacher, da mehr Licht gestreut wird, ist aber einfacher auszurichten. Wenn Sie eine LED verwenden, stellen Sie sicher, dass sie einen fokussierten Strahl ausgibt.

Die LED- und Laserlichtleistung ist wahrscheinlich zu hoch, und die Verwendung von PWM zur Reduzierung der Leistung ist keine Option, da dies zu Störungen des Lichtsensors führt. Platzieren Sie stattdessen einfach einen Widerstand in Reihe mit der LED oder dem Laser, um die Leistung zu reduzieren.

Um die LED oder den Laser und den Lichtsensor OPT101 zu montieren, habe ich etwas Kupferdraht verwendet, der zu einem Verriegelungsdraht verdreht ist, um ihm mehr Steifigkeit zu verleihen. Beide Enden wurden mit Heißkleber befestigt. Dies ist gut für einen Machbarkeitsnachweis, aber auch viel zu zerbrechlich, um außerhalb eines Labors (oder Kellers) verwendet zu werden. Es ist jedoch einfach, den Sensor und die Lichtquelle auszurichten. Ein besserer Weg wäre, einen Halter für diese Geräte in 3D zu drucken, auch weil ein 3D-gedrucktes Gehäuse ein Muss ist, um Störungen durch Außenlicht zu vermeiden.

Zur Steuerung des Peltiers wird ein BTS7960-Motortreiber verwendet. Der effizienteste Weg, einen Peltier anzusteuern, besteht darin, den Strom zu ändern, und nicht PWM zu verwenden. Peltier-Controller sind jedoch nicht so leicht erhältlich wie der BTS7960-Motortreiber und für diesen Machbarkeitsnachweis spielt der Stromverbrauch keine Rolle.

Laden Sie nach dem Zusammenbau den Code auf das Arduino hoch und stellen Sie den OPT101-Empfindlichkeitsbereich mit einem Potentiometer ein. Ein höherer Widerstand bedeutet eine höhere Ausgangsspannung bei gleicher Lichtmenge. Siehe OPT101-Datenblatt, Abbildung 3 – Spannungsempfindlichkeit vs. Einstrahlung. Zum Debuggen können Sie auf den Spiegel blasen, um Kondenswasser zu erzeugen, oder einen Gegenstand vor den Sensor legen. Wenn Sie eine Klimaanlage haben, versuchen Sie, sie ein- (oder auszuschalten) und warten Sie. Sie können die Änderung der Luftfeuchtigkeit sehen.

In der Grafik unten sehen Sie die Temperatur (blau), den optischen Messwert (rot) und den gemessenen Taupunkt (grün). Sie können sehen, wie der Taupunkt steigt, als ich gerade die Klimaanlage ausgeschaltet habe.

Sicherheit

Obwohl der mitgelieferte Code dies nicht unterstützt, kann die Hardware den Spiegel zusätzlich erwärmen, um ihn zu kühlen. Dies geschieht durch einfaches Umpolen des Peltiers. Die Spiegelheizung kann verwendet werden, um Kondenswasser schnell loszuwerden und die Reaktionszeit zu verbessern. Darüber hinaus werden durch blitzverdampfendes Kondenswasser kleine Verunreinigungen entfernt. Dies stellt jedoch auch ein potenzielles Sicherheitsrisiko dar, da die Spiegelfläche keinen Kühlkörper aufweist. Wenn der Code beim Erhitzen des Peltiers feststeckt, schmilzt bestenfalls der Heißkleber, der das Thermometer an Ort und Stelle hält, und im schlimmsten Fall wird ein Feuer entstehen, da schmelzende Drähte einen Kurzschluss verursachen.

Genauigkeit

Da es sich bei der gemessenen Taupunkttemperatur um einen Absolutwert handelt, ist die Kalibrierung nicht so wichtig wie bei einem kapazitiven oder resistiven Hygrometer. Es besteht jedoch zumindest ein gewisser Temperaturunterschied zwischen dem Temperatursensorbereich der Spiegeloberfläche und dem Lichterfassungsbereich. Wenn Sie die Genauigkeit der Messwerte überprüfen müssen, können Sie das Gerät mit einem kalibrierten handelsüblichen Taupunktspiegelhygrometer kalibrieren.

Was die Spiegelverschmutzung betrifft, so ist dies nur teilweise ein Problem. Der Messwert des reflektierten Lichts ist nicht absolut, sondern relativ zum Beginn eines Kühlzyklus. Wenn ein Kühlzyklus beginnt, ist der Spiegel frei von Kondenswasser. Die reflektierte Lichtmenge wird gemessen und als Referenz verwendet, um Kondensation zu erkennen. Wenn der Spiegel verschmutzt ist und weniger Licht reflektiert wird, sollte dies die Kondensationserkennung nicht beeinträchtigen. Einige Verunreinigungen senken oder erhöhen jedoch die Temperatur, bei der Kondensation auftritt. Reinigen Sie daher die Spiegeloberfläche von Zeit zu Zeit, um die beste Genauigkeit zu erzielen.

Die Spiegel- und Umgebungstemperatursensoren müssen keine hohe kalibrierte Genauigkeit aufweisen, aber die Auflösung muss hoch sein. Wenn die tatsächliche Temperatur beispielsweise 24,0 Grad beträgt, aber 24,5 Grad misst, ist das in Ordnung, solange sowohl der Spiegel als auch das Umgebungsthermometer ebenfalls 24,5 messen (kann normalisiert werden) und die Zahl nur mit einer Dezimalstelle zittert. Viele Thermometer haben einen Jitter von 0,2 oder 0,3 Grad. Es wäre besser, einen TSYS01-Temperatursensor sowohl für die Messung der Spiegeloberflächentemperatur als auch der Umgebungstemperatur zu verwenden, da diese Sensoren die gleiche Genauigkeit wie ein Platin-Widerstandsthermometer von 0,1 Grad bieten.

Wichtig ist, dass der Temperatursensor guten Kontakt zur Spiegeloberfläche hat. Die Verwendung von elektrisch nicht leitfähiger Wärmeleitpaste ist zwingend erforderlich.

Kühlen Sie den Spiegel nicht schneller als die Ansprechzeit des Thermometers ab, da sonst der gemessene Taupunkt ungenau ist.

Der Temperatursensor muss an einer Stelle des Spiegels platziert werden, an der gleichzeitig die Kondensation des Lichterfassungsbereichs sichtbar wird.

Die Montage eines Temperatursensors auf der Spiegeloberfläche verändert die Wärmeverteilung und verringert die Genauigkeit. Es mag verlockend sein, alternativ ein Infrarot-Thermometer zu verwenden, aber leider reflektiert der Spiegel eine gewisse Menge an Wärmestrahlung, sodass die Messung von der Umgebung beeinflusst wird.

Technisch gesehen hängt ein Feuchtigkeitsmesswert auch vom Luftdruck ab, aber der Effekt ist in Umgebungen sehr gering. Jede Druckänderung, die durch das Zuschlagen von Türen verursacht wird, und der Wind von außen, der einen Differenzdruck in einem Gebäude verursacht, verursacht wahrscheinlich mehr Probleme, als es wert ist.

Die heiße Luft vom Peltier-Kühlkörper sollte nicht über den Spiegel gezogen werden.

Ein langsamer Temperaturabfall führt zu genaueren Messwerten, verringert aber auch die Reaktionszeit. Die Reaktionszeit kann jedoch verbessert werden, indem die Temperatur nahe dem Taupunkt oszilliert wird.

Code

• Kühlspiegel-Hygrometer

Kühlspiegel-HygrometerC/C++

#include #include  //Watchdog-Crash-Erkennung //Dies sind benutzerdefinierte Bibliotheken.#include "Si7021.h" //Feuchtigkeitssensor mit Heizung#include  //DS18B20 Temperatursensor#include  //DS18B20 Temperatursensor//Timer-Bibliothek:https://github.com/brunocalou/Timer#include "timer.h"#include "timerManager.h" // Definieren Sie die Hardware-Pins auf dem Arduino-Board. #define CoolingPWM 6#Define HeatingPWM 5#Define CoolingEnable 13#Define HeatingEnable 12#Define tecFan 7#define OpticalSensor 0 //Analog in#define oneWireBus A3 //DS18B20 Temp sensor// Der Zustand des TEC.#define COOLING 0#define HEATING 1#define OFF 2//TimerTimer timerMainLoop;Timer timerTecCooling;Timer timerSampleNoise;//Temperatursensor (Feuchtigkeit nicht verwendet). Si7021 si7021; // DS18B20 TemperatursensorOneWire oneWire (oneWireBus); DallasTemperatursensoren (&oneWire);float Feuchte =0;float ambientTemp =0;float OpticalDewpoint =0; //Setzen Sie diese auf einen anfänglich höheren Wert, um den seriellen Plotterbereich korrekt zu erhalten.float mirrorTemp =30; Float optisch =30; Float Taupunkt =15; //Anfangswert muss niedriger sein als der Spiegel temp.float relativeHumidity =30;int tecState =OFF;bool Cooling =false;int intervalTecCooling =200; //Wie oft der TEC-Timer in ms.float aktualisiert wird opticalThreshold =0.5f; //0.5 //Die Grad C, die der optische Messwert unter den Referenzwert fallen muss, um die Kondensationserkennung anzuzeigen. Dies muss eine größere Zahl als das Signal sein. noise.int pwmIncrement =1; int startPwm =100;int maxPwm =255;int intervalMainLoop =200; int tecPwm =0;int NoiseSampleIndex =0;int NoiseSampleAmount =10;float NoiseSampleHighest =0;float NoiseSampleLowest =10000;bool NoiseSampling =false;floatcalculateHumidity(float TD, float T){//Der Taupunkt kann nicht höher sein als der Temperatur. wenn (TD> T) { TD =T; } //August-Roche-Magnus-Näherung. Schwimmer rh =100*(exp((17,625*TD)/(243,04+TD))/exp((17,625*T)/(243,04+T))); return rh;} // Setze den TEC auf Heizen, Kühlen oder Aus.void SetTEC (int state, int Betrag) { tecState =state; // Beachten Sie, dass der Heiz- UND Kühlstift sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen auf hoch eingestellt werden muss. Fragen Sie den PCB-Designer nach den Gründen. // Treiber zur Steuerung des TEC:BTS7960-Motortreiberplatine. Beachten Sie, dass PWM zum Ansteuern eines TEC nicht effizient ist und es besser ist, eine variable Stromquelle zu verwenden. switch (state) { case COOLING:digitalWrite (heatingEnable, HIGH); analogWrite (HeizungPWM, 0); digitalWrite (coolingEnable, HIGH); analogWrite (KühlenPWM, Menge); brechen; Gehäuse HEIZUNG:digitalWrite(coolingEnable, HIGH); analogWrite (KühlenPWM, 0); digitalWrite (heatingEnable, HIGH); analogWrite (HeizungPWM, Menge); brechen; Fall AUS:digitalWrite(coolingEnable, LOW); analogWrite (KühlenPWM, 0); digitalWrite (heatingEnable, LOW); analogWrite (HeizungPWM, 0); brechen; Standard:digitalWrite (coolingEnable, LOW); analogWrite (KühlenPWM, 0); digitalWrite (heatingEnable, LOW); analogWrite (HeizungPWM, 0); }}void setup() { //Watchdog-Absturzerkennung. Dies dient der Sicherheit, da Sie nicht möchten, dass der TEC im Heizmodus stecken bleibt. wdt_enable(WDTO_2S); //WDTO_500MS //WDTO_1S Serial.begin (9600); //9600 //57600 PinMode (KühlenPWM, AUSGANG); pinMode (HeizungPWM, AUSGANG); pinMode (coolingEnable, OUTPUT); pinMode (heatingEnable, OUTPUT); pinMode (tecFan, AUSGANG); pinMode (optischer Sensor, EINGANG); //Einrichten der Timer timerMainLoop.setInterval(intervalMainLoop); timerMainLoop.setCallback(mainLoop); TimerMainLoop.start(); timerTecCooling.setInterval(intervalTecCooling); timerTecCooling.setCallback(tecCoolingCallback); timerSampleNoise.setInterval(intervalTecCooling); TimerSampleNoise.setCallback (sampleNoiseCallback); // si7021 Temperatursensor-Setup. uint64_t serialNumber =0ULL; si7021.begin(); SerialNumber =si7021.getSerialNumber(); // DS18B20 Eindraht-Temperatursensor sensoren.begin (); // Deaktivieren Sie die Debug-Protokollierung des Temperatursensors, damit das Diagramm ordnungsgemäß funktioniert. /* Serial.print("Si7021 Seriennummer:"); Serial.print ((uint32_t) (serialNumber>> 32), HEX); Serial.println ((uint32_t) (serialNumber), HEX); //Firware-Version Serial.print("Si7021-Firmware-Version:"); Serial.println (si7021.getFirmwareVersion(), HEX); */ startNoiseSampling(); } // Holen Sie sich den optischen Sensor Reading.float getOptical () { Int opt ​​=analogRead (opticalSensor); float optFactored =(float)opt / 30.0f; return optFactored;} // Timer callback.void tecCoolingCallback () { digitalWrite (tecFan, HIGH); // Erhöhen Sie langsam die Leistung des TEC. tecPwm +=pwmInkrement; // Klemme if (tecPwm> maxPwm) { tecPwm =maxPwm; } //Setze die TEC-Kühlmenge SetTEC(COOLING, tecPwm); // Wird Kondensation erkannt? if (optisch <=(noiseSampleLowest - opticalThreshold)) {// Den Taupunkt protokollieren; Taupunkt =SpiegelTemp; optischTaupunkt =optisch; stopTec(); }}void startNoiseSampling(){ NoiseSampling =true; NoiseSampleHighest =0; NoiseSampleLowest =10000; timerSampleNoise.start();}void sampleNoiseReset(){ timerSampleNoise.stop(); NoiseSampleIndex =0; noiseSampling =false;}void sampleNoiseCallback(){ if(noiseSampleIndex> noiseSampleAmount){ sampleNoiseReset(); startTecCooling(); aufrechtzuerhalten. Sonst { if (optisch> NoiseSampleHighest) { NoiseSampleHighest =optisch; aufrechtzuerhalten. Wenn (optisch =noiseSampleLowest)){ startNoiseSampling(); } }void loop () { // Watchdog-Absturzerkennung wdt_reset (); //Alle Timer aktualisieren. TimerManager::instance().update();}

Schaltpläne