Archiwum - SENSORY 17

Archiwum - SENSORY 17

Sensor wilgotnosci.
Wilgotnosc definiowana jest  stezeniem wody lub pary wodnej w powietrzu. Istnieje cala siatka pojeciowa wokol tematu wilgotnosci - wzgledna , bezwzgledna, wlasciwa, punkt rosy, punkt zamarzania.  Aby nie wchodzic w fizyke dalej uzyte jest tylko pojecie wilgotnosci wzglednej , RH - Relative Humidity.

Pomiar i regulacja wilgotnosci powietrza ma duze znaczenie w przemyslach precyzyjnych, chocby polprzewodnikowym czy farmaceutycznym.
Regulacja wilgotnosci wymagana jest w respiratorach i inkubatorach. Pomiar i regulacja sa niezbedne w rolnictwie, produkcji zywnosci i przemysle chemicznych. Wreszcie wilgotnosc powinna zawierac sie w okreslonych granicach we wszelkich pomieszczeniach gdzie przebywa czlowiek. Temperatura i wilgotnosc powietrza sa bardzo wazne dla komfortu czlowieka.

Znane sa pojemnosciowe i rezystancyjne sensory wilgotnosci wzglednej.

W pojemnosciowych sensorach wilgotnosci higroskopowy dielektryk ( plastik albo polymer ) umieszczony jest miedzy metalowymi elektrodami tworzac maly kondensator. Przenikalnosc dielektryka jest w granicach 2-5 natomiast przenikalnosc wody wynosi 81. Absorbcja wody a dokladniej pary wodnej  powoduje zwiekszenie przenikalnosci dielektryka i powiekszenie pojemnosci sensora.
Konstrukcja sensora  jest dosc prosta. Na ceramicznym, krzemowym lub plastikowym podlozu nalozona jest zlota lub platynowa elektroda a na nia absorbcyjny dielektryk i kolejna elektroda.
Stala czasowa sensora wynosi 15-120 sekund. Zawsze mierzona jest w wolno przeplywajacym powietrzu , ca 2m/sec. W ukladzie pomiarowym do sensora nie wolno podawac mu napiecia stalego bowiem powoduje ono migracje elektrochemiczna i degradacje sensora
Zmiany pojemnosci nie sa wielkie ale liniowe . Przykladowy sensor ma nominalnie przy wilgotnosci RH=75% pojemnosc 500pF. Przy RH=5% ma pojemnosc  380pF a przy 90% - 525pF. Pojemnosc nominalna sensorow lezy w zakresie 100-500pF.
Im blizej sensor-"kondensator" jest ukladu pomiarowego i im mniejsza sa szkodliwe rozproszone pojemnosci i tym mniejsza moze byc jego pojemnosc i tym samym wymiar sensora. Mozna sobie wyobrazic mikroskopowy sensor scalony z interfejsem.

W rezystancyjnych sensorach wilgotnosci na podlozu nalozone sa w postaci wezyka elektrody miedzy ktorymi jest mala szczelina. Na nie nalozona jest cienka "przewodzaca " warstwa polimeru z domieszka soli ( ale nie kuchennej ) z ruchomymi jonami wapnia absorbujaca wilgoc.   Stala czasowa sensora wynosi 2-5 minut.
Charakterystyka opornosci jest silnie nieliniowa w funkcji wilgotnosci - jest exponencjalna z ujemnym wykladnikiem zas konduktancji z dodatnim. Opornosc miesci sie w granicach 500Ohm - 100Mohm.
Sensorowi rezystancyjnemu tak samo jako pojemnosciowemu nie wolno podawac napiecia stalego bowiem nastapi polaryzacja elektrod.
Rezystancji towarzyszy pojemnosc i przy duzych rezystancjach staje sie ona istotna. Z tego wzgledu czestotliwosc sygnalu w ukladzie pomiarowym nie przekracza kilkunastu kilohercow. Mozna uzyc zmiennego napiecia sieciowego o czestotliowsci 50Hz ale nie jest to polecane.
Sensory rezystancyjne sa produkowane od lat czterdziestych. Na plastikowym cylinderku nawinieto obok siebie bifilarnie cienkim drutem z metalu szlachetnego uzwojonko. Powlekano je alkoholem poliwinylowym z dodatkiem soli litu.

Sensory sa wrazliwe na agresywna i zaolejona atmosfere. Zle warunki srodowiskowe radykalnie skracaja ich zywotnosc.
Dokladnosc sensorow wilgotnosci jest gorsza niz +-2%  Wykazuja histereze i dryft dlugoczasowy.

Pojemnosc sensora najlatwiej jest przetworzyc na czestotliwosc, ktora bardzo latwo jest zmierzyc licznikiem mikrokontrollera. Pojemnosc ma mala dobroc i uzycie generatora LC nie jest mozliwe.
Generator astabilny z sensorem jako pojemnoscia na ukladzie 555 w wersji CMOS pracuje calkiem dobrze. W szereg z sensorem trzeba wlaczyc kondensator ( foliowy 100nF, przynajmniej  kilkadziesiat razy wiekszy niz pojemnosc sensora i w miare stabilny temperaturowo ) aby uniknac problemow ze skladowa stala. Sensor mozna zabocznikowac dodatkowo rezystorem >10 Mohm.

Lepszy generator jest na trzech inwerterach CMOS typu CD4069. Typowo generator wykonuje sie na dwoch inwerterach. Inwertery maja niewielkie wzmocnienie i czas przelaczania pierwszego inwertera z wolno narastajacym wejsciowym napieciem z obwodu RC jest duzy co pogarsza stabilnosc generatora. Dodanie regeneracyjnego kondensatorka ca 5pF miedzy wyjsciem a wejsciem generatora przyspiesza przelaczanie.  Lepszy jest generator na trzech inwerterach. Jesli damy stabilne temperaturowo elementy stalej czasowej RC to czestotliwosc generatora potrafi byc stabilna. Napiecie stale na sensorze - kondensatorze jest niewielkie ale dla swietego spokoju dajemy w szereg z sensorem kondensator odcinajacy skladowa stala.

Napiecie przelaczania inwertera CMOS wynosi polowe napiecia zasilania i jest dosc stabilne. Uwaga - napiecie przelaczania bramki CMOS nie wynosi polowe napiecia zasilania i zalezy od rownoleglego uzycia ilosci wejsc bramki ! Przyczyna termicznej niestabilnosci okresu generacji sa zabezpieczajace diody wejsciowe ktorych napiecie przewodzenia zmienia sie ca 2mV/C. Totez na wejsciu inwertera daje sie rezystor o wartosci 2-10 razy wiekszej niz rezystor stalej czasowej co zmniejsza wplyw diod wejsciowych.  

Stabilnosc generatora jest wielokrotnie lepsza niz sensora wilgotnosci i tak ma byc. Uklad testujemy dolaczajac do generatora zamiast sensora pojemnosc z rownoleglym trymerem ceramicznym.
Ze zmierzonej czestotliwosci wyliczamy wilgotnosc wzgledna.

Rezystancyjny sensor wilgotnosci zmienia rezystancje w bardzo szerokich granicach co stwarza problemy poniewaz przetwornik A/D ma z reguly mala rozdzielczosc.  W konwencjonalnym ukladzie sygnal zmienny ktory szeregowo przechodzi przez sensor rezystancyjny podany jest do precyzyjnego prostownika idealnego lub detektora  synchronicznego i po odfiltrowaniau podany do ukladu logarytmujacego zmniejszajacego dynamike  i dalej do przetwornika A/D. Interfejs jest zatem dosc skomplikowany.

Sensora mozemy jednak uzyc jak opornik w stalej czasowej generatora RC  ale problem polega na ogromnym zakresie zmian rezystancji i czestotliwosci. W dwuzakresowym generatorze CMOS mozna do mniejszej pojemnosci generatora dolaczyc kluczem CMOS lub tranzystorem  rownolegle wieksza pojemnosc aby obnizyc czestotliwosc generacji przy malych wartosciach rezystancji sensora.

Przyklad generatora do sensora wilgotnosci  jest podany w "automatycznej stacji pogodowej".