Схема датчика влажности почвы

Описанные в литературе датчики дождя и влажности, как правило, 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, катушка которого (L1) зарывается в почву. Прибор реагирует на проводимость звуковых волн во влажной и сухой среде.

Влажная почва сделает работу генератора невозможной — произойдет уменьшение амплитуды и срыв колебаний. По величине поглощения энергии в катушке определяется степень влажности почвы. Индуктивный контроль состояния почвы по сравнению с емкостным методом и методом измерения электрического сопротивления позволяет оперативно реагировать на изменение влажности вокруг катушки L1. Сопротивление почвы постоянному току между двумя щупами-датчиками изменяется постепенно.

Емкостной метод измерения на дачном участке неэффективен из-за перемещения по территории людей и животных, являющихся источниками ложных срабатываний. У индуктивного метода также есть свои недостатки.

На практике установлено, что кроме влажности на колебания генератора с помещенной в почву катушкой L1 оказывают влияние частота генератора, глубина, на которой находится катушка, и температура почвы. Длина соединительных проводов от катушки к схеме не должна превышать 1 м. В весеннее-летний сезон прибор работает стабильно в режиме 24 часа в сутки.

Метод был предложен в 2001 г. в журнале Popular Electronics, однако электрическая схема, приведенная там, при повторении оказалась неработоспособной. Добавив один транзистор и самодельную катушку, удалось реализовать корректно работающий прибор (схема представлена на рис. 1).

Размеры катушки позволяют применять прибор на приусадебном участке с любым составом почв, в любом климатическом поясе. А вот для контроля влажности земли, например, в цветочном горшке, если только цветок — не пальма, устройство не эффективно, ведь оптимальная глубина погружения катушки L1 составляет 45…55 см, цветочный горшок такой глубины оказывается под рукой не всегда. В этом случае устройство надежно работает, контролируя влажность почвы, скажем, в теплице с рассадой огурцов или томатов.

Транзистор VT2, катушка индуктивности L1 и конденсаторы С2, СЗ образуют автогенератор. Колебания возбуждаются на частоте около 16 кГц. При сухой почве или размещении катушки L1 вне влажной среды генерация происходит нормально — амплитуда импульсов на коллекторе транзистора VT2 составляет около 3 В. Резистор R4 вместе с конденсатором С4 пропускают импульсы автогенератора на частоте резонанса. Без него чувствительность прибора недостаточна.

Транзистор VT1, включенный по схеме эмиттерного повторителя, уменьшает влияние нагрузочных цепей на работу генератора. Диоды VD1, VD2 преобразуют импульсы автогенератора в постоянный ток. Продетектированный диодами постоянный ток задает смещение на базе ключевого транзистора VT3. Усиленные транзистором VT2 импульсы автогенератора проходят через разделительный конденсатор С5 (он не пропускает постоянную составляющую напряжения), выпрямляются диодами VD1, VD2 и открывают транзистор VT3 — в результате сработает реле и зазвучит сирена. Устройство сирены на схеме не показано.

Транзистор VT3 включит реле К1, как только выходное напряжение генератора окажется достаточным для открывания этого транзистора. Если амплитуда импульсов автогенератора на коллекторе транзистора VT2 мала (менее 1 В, что свидетельствует о влажной среде вокруг L1) — транзистор VT1 не открывается полностью и напряжение смещения на базе VT3 недостаточно для его открытия. Реле обесточено.

В качестве нагрузки прибора рачительный дачник может использовать любую схему звуковой сигнализации или водяной насос с питанием от сети 220 В. В этом 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 VT3 в моменты включения или выключения реле. Чувствительность генератора к изменению влажности почвы устанавливается переменным резистором R3 (типа СП5-3).

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

Сверху намотка закрепляется двойным слоем изоляционной ленты.

Элементы устройства закрепляют на монтажную плату длиной 50×70 мм. "Начинка" монтируется в любом подходящем металлическом корпусе. Движок переменного резистора через отверстие в корпусе должен быть доступен для корректирующей регулировки извне. Внутри корпуса размещается источник питания с понижающим трансформатором и стабилизатором КР142ЕН8Б с выходным напряжением 12 В, само устройство и дополнительная схема звуковой сигнализации.

Светодиод HL1 индицирует режим "включено". Тумблер S1 подает питание на схему. Корпус прибора должен быть влагонепроницаемым. На торцевой стенке монтируется разъем РП10-11, который соединяет элементы схемы с питающим сетевым напряжением 220 В, проводами катушки L1 и устройством звукового сигнализатора.

Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25. Оксидные конденсаторы С8, С9, сглаживающие пульсации напряжения, типа К50-20. Конденсаторы С1…С7 типа КМ-6. Реле К1, кроме указанного на схеме, может быть типа РЭС10 (исполнение РС4.524.314), РЭС15 (ХП4.591.010) или аналогичные слаботочные на напряжение срабатывания 8…10 В.

Диодный мост VD5…VD8 любой маломощный из серий КЦ402, КЦ405. Вместо транзисторов серии КТ3102 можно применить приборы КТ315Б. Переменный резистор можно заменить СП5-1ВБ. Стабилизатор DA1 устанавливать на радиатор не нужно, поскольку ток, потребляемый схемой, очень мал — 20 (50) мА при выключенном (включенном) реле К1. HL1 — любой светодиод. Трансформатор Т1 типа ТПП277-127/220-50 (необходимо соединить перемычками обмотки 3-7 и 12-13) или любой с напряжением на вторичной обмотке 13…17 В.

При исправных деталях узел начинает работать сразу после сборки. Работу генератора проверяют на рабочем столе, подключая щуп осциллографа к коллектору транзистора VT2. Регулировка прибора сводится к установке порога срыва генерации автогенератора изменением сопротивления R3 (чувствительность).

Делают это при той же температуре среды, при которой прибор будет осуществлять контроль влажности. Для этого индуктивную катушку L1 помещают в сухую почву, (например в глубокий цветочный горшок) на глубину 20..30 см, подают питание на схему прибора с подключенным устройством звуковой сигнализации, изменением сопротивления переменного резистора R3 добиваются включения реле К1, по срабатыванию сирены. Оптимальное положение движка R3 такое, когда устройство будет работать стабильно (реле К1 включаться) при серии из нескольких переключений тумблера S1.

После установки порога чувствительности переходят ко второму этапу регулировки — увлажняют почву в месте зондирования катушки L1. Принудительное увлажнение сводится к выливанию на испытуемый участок земли 2…3 л воды. Через минуту звуковая индикация прибора должна прекратиться. Регулировка может иметь отличие от указанной методики в зависимости от состава почвы и ее температуры.