XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройство для измерения и регулирования влажности воздуха

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мезенин А.С. 1

---

1МБОУ СОШ №6, г. Верхняя Салда

Кузнецова И.Н. 1

---

1МБОУ СОШ №6, г. Верхняя Салда

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Ночной туман застал меня в дороге. Сквозь чащу леса глянул лунный лик.

Александр Блок

Читая, красивые строки стихотворения Блока, появляются вопросы: откуда берётся туман, что такое влажность воздуха?

О влажности воздуха можно найти информацию в серьезных технических документах. Если посмотреть нормативно-правовой документ, например, ГОСТ 30494-2011 - государственный стандарт, который формулирует требования государства к качеству услуг и продукции, то должны выполняться такие требования как, в теплое время года в гостиных и спальнях оптимальный уровень водяных паров 30–60% (максимальный 65%), в холодное — 30–45% (максимальный 60%).

В период выполнения домашней работы, когда я прихожу из школы, мне важно, чтобы у меня дома были созданы комфортные условия, в том числе влажность воздуха должна быть в пределах нормы. В школе влажность воздуха контролируется заместителем директора по административно-хозяйственной части, замеры проводят специалисты Роспотребнадзора.

Целью моего технического проекта является создание устройства для измерения и регулирования влажности воздуха.

Определить влажность воздуха возможно с помощью измерительных приборов – гигрометров. Но если прибора в квартире нет, то возможно ли провести замеры влажности самостоятельно изготовленными приборами, другими способами?

Я выдвинул гипотезу: замеры и регулировку влажности воздуха в рабочей комнате можно провести самодельным прибором.

Для достижения цели в техническом проекте решались следующие задачи:

• найти и изучить материал по теме: "Влажность воздуха и ее измерение";

• научиться проводить процесс пайки;

• собрать устройства для измерения влажности;

• сравнить показания альтернативных устройств для измерения влажности с действующими приборами.

Объект исследования: влажность воздуха.

Предмет исследования: действия измерительных приборов при воздействии на них водяных паров.

В основе технического проекта лежат методы исследования: теоретический анализ и изучение литературы, наблюдение, проведение сравнений полученных данных с действующими приборами, анализ полученных данных.

Личный вклад определяется в планировании и самостоятельном изготовлении устройства для измерения и регулировки влажности воздуха.

1. Теоретическая часть

1.1. Исторические аспекты изучения влажности

История наблюдений за погодой началась с появлением письменности, когда люди стали фиксировать важные метеорологические явления. Самые ранние из дошедших до нас записей датируются сотнями лет до нашей эры.

В России история метеонаблюдений делится на два этапа: не инструментальный и инструментальный. Первый начался в середине XVII века, когда по указу царя Алексея Михайловича в Москве стали вести ежедневные записи о погоде. Второй этап стартовал в конце того же века с появлением термометров и барометров, хотя тогдашние наблюдения осложнялись разными шкалами измерений и несогласованными сроками.

Первый в мире прибор для измерения влажности был создан немецким учёным кардиналом Николасом да Куза (1401-1464). Поводом для изобретения послужила практическая проблема в торговле шерстью: её цена напрямую зависела от веса. Продавцы ждали дождливых дней, чтобы продать отсыревшую шерсть дороже, а покупатели, наоборот, хотели совершать сделки в сухую погоду.

Чтобы установить справедливую цену, Николас да Куза создал простой, но эффективный прибор. Он использовал весы, помещая на одну чашу шерсть, а на другую - равный по массе камень. При каждой сделке он добавлял на чашу с камнями дополнительный груз до восстановления равновесия. Количество добавленного веса и показывало, сколько влаги впитала шерсть, что позволяло объективно определить её истинную стоимость. Это изобретение устраивало как покупателей, так и продавцов.¹

Немецкий математик Иоганн Генрих Ламберт (1728–1777) предложил называть любой прибор для измерения влажности гигрометром. Именно это название – гигрометр - закрепилось за подобными устройствами и используется сегодня.

В 1774 году Ламберт разработал конструкцию, в которой в качестве чувствительного элемента применялась натуральная кожа. Ученый установил количественную зависимость между температурой и влажностью, дав объяснение понятию относительной влажности.

Позже, в 1783 году, изобретатель Орас-Бенедикт де Соссюр (1740–1799) представил волосяной гигрометр, принцип работы которого актуален до сих пор. В этом приборе используется обезжиренный человеческий волос. Изначально считалось, что для измерений лучше подходит светлый волос. Его природные свойства обуславливают небольшую погрешность измерений - всего 2,5%. Поэтому промышленные волосяные гигрометры имеют точность +/- 2,5%.

На этом же свойстве волоса работают современные датчики влажности и гигростаты. Их принцип действия заключается в преобразовании изменения длины волоса в зависимости от влажности воздуха в электрические сигналы. В промышленности на сегодняшний день в приборах, основанных на гигроскопических свойствах волоса, который растягивается с увеличением влажности воздуха, используется синтетический. Его особенностью в отличие от натурального является большая прочность. Он выдерживает большие перепады температур и менее чувствителен к загрязнению.

Современная наука гигрометрическое свойство волоса использует в датчиках влажности и гигростатах. Их действие основано на преобразовании данных значения удлинения волоса в зависимости от влажности воздуха в электрические сигналы.

1.2. Природные индикаторы влажности воздуха

Для точного измерения влажности человек создал множество приборов. Однако приближающиеся осадки можно предсказать, просто понаблюдав за природой: многие животные обладают врожденным «метеорологическим» чутьем.

Поведение птиц — надежный индикатор. Перед дождем ласточки и стрижи начинают летать низко над землей. Это связано с насекомыми, которые составляют их рацион: при повышении влажности крылышки мошек и комаров тяжелеют от мельчайших капель, заставляя их опускаться ниже, а вслед за ними спускаются и птицы.

Не менее внимательны к изменениям погоды лягушки. Их поведение напрямую зависит от влажности, так как они дышат преимущественно через кожу. В сухую погоду земноводные остаются в воде, чтобы избежать обезвоживания, а при высокой влажности выходят на сушу. Чутко реагируя на малейшие колебания в атмосфере, лягушки служат живым барометром. Например, африканские племена определяют начало сезона дождей по тому, как древесные лягушки покидают водоемы и взбираются на деревья
(рис. 1.3.1). По их кваканью тоже можно делать прогнозы: хриплые и надсадные звуки предвещают дождь, а громкое кваканье обычно указывает на устойчивую ясную погоду.

Рис. 1.3.1 Древесные лягушки «предсказывают» сезон дождей

Другие обитатели природы тоже подают свои сигналы. Муравьи перед ненастьем заделывают входы в муравейник, пчелы возвращаются в улей и гудят, а повышенная активность оводов, заставляющая скот брыкаться, у многих народов считается верной приметой дождя.

Специалисты полагают, что многие живые существа обладают встроенными «приборами» для измерения атмосферного давления, влажности.

Растения также чутко отзываются на изменения влажности. Шишки хвойных деревьев смыкают чешуйки, а цветы вроде роз и сирени начинают пахнуть интенсивнее. Одуванчик перед дождем закрывается (рис. 1.3.2), а такие растения, как клен или ива, «плачут», выделяя на листьях капли влаги.

Таким образом, наблюдая за поведением животных и состоянием растений, можно с уверенностью предсказать погоду.

Рис. 1.3.2 Одуванчик перед дождем закрывается

1.3. Значение и учёт влажности воздуха

на производстве и в быту

Знания о влажности необходимы человеку для его здорового существования, взаимоотношениях с животным и растительным миром, во многих сферах его деятельности.

Влажность воздуха способна улучшать и ухудшать состояние здоровья человека. Большое содержание влаги, более 85 %, в воздухе затрудняет теплоотдачу с поверхности кожного покрова из-за уменьшения испарения пота, что ведет к перегреву тела и влечет за собой вялость, потерю сознания, сердечные приступы, кислородное голодание мозга.

При недостаточной влажности, менее 20 %, из-за интенсивного испарения влаги с поверхности слизистых оболочек дыхательных путей происходит их пересыхание, растрескивание и загрязнение болезнетворными организмами.

Влажность воздуха оказывает большое влияние на растения и учитывается в сельском хозяйстве. При недостатке влажности в воздухе задерживается цветение, пересыхает пыльца, происходит неполное оплодотворение. У зерновых культур зерно становится мелким, снижается урожайность.

В ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» тщательно учитывается влага при работе с титановой губкой.

При производстве и транспортировке титановой губки влажность воздуха имеет большое значение. Титановая губка поглощает влагу, также возможна капиллярная концентрация влаги, поэтому операции с хранением и транспортировкой титановой губки необходимо осуществлять при минимальной влажности. В соответствии с ГОСТ 17746-96 «Титан губчатый. Технические условия» упаковывают в сварные бочки. Сварные бочки, во избежание попадания влаги, могут быть герметизированы и заполнены аргоном. Титановую губку нужно оберегать от контакта с влажным воздухом.

Помещение крытых бассейнов требовательно к уровню влажности. Чтобы снизить коррозию металлических конструкций и строительных материалов стараются держать уровень влажности в помещении бассейна в диапазоне 40–60 %.

Сырость влияет и на предметы мебели и интерьера, особенно изделий из древесины. При высокой влажности деревянные изделия деформируются, изменяют свою форму. Сухой воздух также опасен для предметов быта. Лакированная поверхность мебели может потрескаться, паркет расслоится, музыкальные инструменты плохо настраиваются.

Художественные произведения критичны к воздействию влажности, поэтому в крупных музеях и выставочных залах идет обязательная фиксация уровня влажности воздушных масс (рис. 1.5.1).

Рис. 1.5.1 Приборы для фиксации влажности в Третьяковской галерее

2. Практическая часть

2.1. Идея проекта

В современном мире все предлагаемые к использованию измерительные приборы отвечают определенным требованиям, одними из которых являются точность измерений, время срабатывания - быстродействие, простота и удобство наблюдения и фиксации процессов.

Сегодня, имея необходимый набор электродеталей, определенные навыки, можно самостоятельно изготовить прибор для измерения влажности.

2.2. Схема и реализация проекта

Все измерения необходимые для решения практических задач, я проводил фабричным гигрометром, но мне захотелось всегда иметь под рукой такой прибор и регулировать самому влажность в комнате, где я делаю домашнее задание. И я приступил к выполнению своего проекта.

Выбранная мною схема для изготовления прибора - электронного гигрометра с увлажнителем отвечает следующим требованиям:

1. простота;

2. доступность деталей;

3. минимальная элементная база.

В качестве датчика я использовал датчик влажности и температуры DHT11. Составной датчик DHT11 (рис. 3.2.1) включает в себя сразу два полезных измерительных прибора — термометр и гигрометр. Такие датчики используются в проектах Ардуино.

Рис.3.2.1. Составной датчик DHT11

Гигрометр состоит из нескольких основных частей: составной датчик DHT11, микроконтроллер stc8g1k17, дисплей, кнопки управления, ультразвуковой увлажнитель воздуха.

Изготовление устройства выполнялось в соответствие с представленным планом:

1. Приобрести необходимые материалы: плату с электронными компонентами, датчик DHT11, контроллер, дисплей.

2. Впаять в плату электронные компоненты, кнопки управления;

3. Припаять датчик DHT11;

4. Подключить дисплей;

5. Установить в плату запрограммированный микроконтроллер stc8g1k17;

6. Собрать увлажнитель воздуха;

7. Подключить увлажнитель воздуха к электронной плате;

8. Установить прибор в емкость с водой;

9. Подключить питание.

Пайку электронных компонентов будем осуществлять с помощью паяльника с датчиком температуры (рис. 3.2.2). Замеры сопротивлений и электронных компонентов будем производить с помощью измерительного прибора – мультиметр ТМ-510 (рис. 3.2.3).

Рис.3.2.2 Паяльник с датчиком Рис. 3.2.3 Замеры сопротивления

температуры мультиметром ТМ-510

Сначала я впаял сопротивления (рис. 3.2.4), номинал сопротивлений определял с помощью мультиметра (рис. 3.2.3).

Рис. 3.2.4 Впайка сопротивлений

Следующие компоненты, которые я впаял, – конденсаторы. Самые распространённые типы конденсаторов: керамический и электролитический (рис. 3.2.5). Керамические меньше по размеру и обычно имеют маленькую ёмкость, им всё равно какой из контактов будет подключен к плюсу, а какой — к минусу. Электролитические конденсаторы имеют большую ёмкость и они полярны: к плюсу должен быть подключен конкретный контакт. Ножка, соответствующая плюсу, делается длиннее.

Рис. 3.2.5 Керамический и электролитический конденсаторы

После пайки конденсаторов, устанавливаем датчик температуры и влажности DHT11 (рис. 3.2.6), устанавливаем панельку для крепления микроконтроллера stc8g1k17.

Рис. 3.2.6 Впаяны датчик влажности и панелька

Следующим этапом я собрал увлажнитель воздуха на основе ультразвукового прибора и установил дисплей (рис. 3.2.7).

Рис. 3.2.7 Сборка ультразвукового прибора и дисплея

Подключил ультразвуковой прибор для увлажнения воздуха к электронной плате, установил микроконтроллер и собрал устройство – гигрометр с увлажнителем воздуха (рис.3.2.8).

Рис. 3.2.8 Сборка гигрометра с увлажнителем воздуха

Подключил собранный прибор к источнику питания (рис. 3.2.9). С первого раза включение не получилось, так как был неисправный провод в наборе. После замены провода гигрометр заработал.

Рис. 3.2.9 Подключение гигрометра к источнику питания

Для увеличения влажность в комнате, где я выполняю домашние задания, нужно нажать на левую кнопку прибора, чтобы включить увлажнитель воздуха (рис.3.2.10).

Рис. 3.2.10 Увлажнитель воздуха включен

Прибор собран, он показывает относительную влажность воздуха, температуру окружающей среды и умеет увлажнять воздух

2.3. Итоги проекта

Изготовление гигрометра выполнялось согласно следующим этапам:

- ознакомился с предложенными на различных сайтах сети электрическими схемами;

- выбрал доступную для реализации схему;

- приобрел необходимые детали для изготовления гигрометра;

- собрал схему;

- проверил гигрометр в работе;

- увеличил влажность воздуха с помощью встроенного в прибор увлажнителя согласно таблице 3.3.1.

Таблица 3.3.1.

Таблица измерений собранного прибора

В результате реализации проекта я убедился, что получил действующий прибор, который может быть использован для измерения влажности.

Мой прибор имеет следующие характеристики:

1. Диапазон измерения от 20 % до 80 %;

2. Габариты датчика: 16 x 12 x 6 мм (без учета ножек);

3. В качестве прибора для измерения сопротивления использовался мультиметр ТМ-510.

Я считаю, что при сравнительно небольших затратах, мой прибор получился достаточно точным для домашнего применения. Наличие в приборе дополнительной функции по увлажнению позволяет контролировать параметры воздуха в комнате.

В процессе сборки прибора обнаружился недостаток датчика температуры он показывал значения температуры воздуха отличающиеся от настоящих значений. Настроить датчик не получилось, так как все настройки скрыты в программе микроконтроллера.

В целях корректировки показаний датчика температуры необходимо исследовать программный код микроконтроллера и внести изменения. Данную работу я планирую провести дополнительно в новом проекте в следующем году.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучая тему я выяснил, что количество водяных паров в воздухе характеризуется относительной и абсолютной влажностью. Влажность воздуха оказывает большое влияние на живые организмы. Уровень влажности необходимо учитывать в сельском хозяйстве, в промышленности, в пищевой отрасли. В домашних условиях, при отсутствии приборов, важно уметь определять уровень влажности в помещении подручными способами.

Изучив литературу и интернет-источники по определению уровня влажности в помещении альтернативными способами, я получила несколько вариантов самодельных гигрометров.

В ходе работы мною выполнены следующие задачи: найден и изучен материал по теме «Влажность воздуха и ее измерение», определены альтернативные способы измерения влажности, составлена сравнительная таблица показаний альтернативных приборов с действующими приборами, применены полученные навыки для решения практических задач. Сделаны и обобщены результаты.

Гипотеза, которую выдвинул в начале работы, подтвердилась.

При выполнении работы я научился осуществлять поиск информации в технической литературе и интернет-источниках, определять влажность воздуха, использовать альтернативные методы измерения влажности, проводить замеры с помощью электронных приборов, анализировать и внедрять полученные в ходе работы результаты.

Но я понимаю, что над этой темой еще стоит продолжать работать. Ведь в ходе работы над проектом открылись новые проблемы, требующие моего рассмотрения. И, как говорил великий писатель Марк Твен, секрет того, чтобы добиться чего-то – начать. Я уже начал, и понял, что исследовать и изобретать – очень интересно!

ЛИТЕРАТУРА

1. Гигрометр. Виды и устройство. Работа и как выбрать Особенности. URL: Тех.Приборы.Ру https://tehpribory.ru/glavnaia/pribory/gigrometr.html (дата обращения 02.12.2021)

2. Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля :учебник для образоват. учреждений нач. и сред. проф. образования /В. Ф. Дмитриева. — 6-е изд., стер. — М .:Издательский центр «Академия», 2013. - 448 с

3. Информация для населения. URL: Центр гигиены и эпидемиологии. http://www.cge48.ru/gigienicheskoe-vospitanie-i-obuchenie/informaciya-dlya-naseleniya (дата обращения 05.12.2021)

4. Касаткина И.Л. Репетитор по физике: теория: механика; молекулярная физика; термодинамика; электромагнетизм/И.Л.Касаткина; под ред. доцента Т.В. Шкиль. - Изд.4-е - Ростов н/Д: Феникс, 2008.- 603 с. - (Абитуриент).

4. Немного истории. Создание метеорологических приборов. URL: Метеомастер. https://meteomaster.su/history.shtml (дата обращения 07.09.2021)

Марон А.Е. Сборник качественных задач по физике: для 7-9 кл. общеобразоват. учреждений/А.Е.Марон, Е.А. Марон. - М.: Просвещение, 2006.

5. Новиков Ю. Живые барометры: жаба - вещунья или как лягушки предсказывают погоду. URL: http://okdzks.com/page.php?id=633(дата обращения 07.11.2021)

6.Перышкин А.В. Физика.8 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений/ А. В. Перышкин. - М. :Дрофа, 2013 - 237.

7. Принцип работы и критерии выбора бытового осушителя воздуха для квартиры. URL: SOVETEXSPERT.RU Интернет - журнал о бытовой технике. https://sovetexpert.ru/osushitel-vozduha-dlya-kvartiry.html (дата обращения 05.12.2021)