2001.11 Higrometr elektroniczny, Projekty AVT
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
++
Projekty AVT
Higrometr
elektroniczny
2 6 0 7
Pomiar na drodze elektronicznej wielkości
nieelektrycznych budzi zainteresowanie wie−
lu Czytelników EdW, jednak uzależniony jest
od dostępnych czujników. Jedną z interesują−
cych, ale trudnych do pomiaru wielkości nie−
elektrycznych, jest wilgotność powietrza.
Przeszkodą są głównie wysokie ceny czujni−
ków wilgotności. Od pewnego czasu dobrze
znana Czytelnikom EdW firma wysyłkowa
Conrad Electronic ma w swojej ofercie nie−
drogi czujnik wilgotności, który może być
podstawą niezmiernie interesujących ekspe−
rymentów, a przy uwzględnieniu specyficz−
nych cech może także posłużyć do budowy
mierników i regulatorów wilgotności. Czuj−
nik ten oferowany jest także w polskiej wersji
katalogu Conrada.
Na bazie tego czujnika powstał nieskom−
plikowany układ do pomiaru wilgotności.
Wskaźnikiem jest linijka zawierająca dzie−
sięć diod LED. Zasadniczo jest to układ prze−
znaczony do eksperymentów, niemniej przy
właściwej kalibracji może z powodzeniem
służyć do pomiaru wilgotności, nie tylko
w warunkach domowych.
skąpe. Czujnik przeznaczony jest do stoso−
wania w regulatorach wilgotności, nawilża−
czach, suszarniach, systemach wentylacyj−
nych, klimatyzatorach, itp.
Wiadomo, że jest to czujnik polimerowy,
a więc materiałem aktywnym jest rodzaj two−
rzywa sztucznego. Wilgotność wpływa silnie
na oporność tego tworzywa, a konkretnie
przy wzroście wilgotności oporność maleje.
W zasadzie należałoby mówić o impedancji,
bo czujnik zawsze pracuje z sygnałami
zmiennymi. Można przyjąć, że chodzi
o zmiany rezystancji, choć przy bliższym zba−
daniu okazało się, iż czujnik wykazuje obe−
cność niewielkiej składowej reaktancyjnej.
Od lat znane są czujniki wilgotności za−
wierające grzałkę, czy wymagające innego
rodzaju odświeżania. Prezentowany czujnik
nie wymaga żadnych dodatkowych zabiegów
czy obwodów sterujących. Ma tylko dwie
końcówki. W sumie można uznać, że jest to
rezystor, którego oporność zależy od wilgot−
ności względnej powietrza.
Podstawowe parametry zawarte są w
tabeli 1
.
Ze względu na wykorzystany materiał
czynny, czujnik musi pracować przy napięciu
Zakres temperatur pracy
. . . . . . . . . . . . . . 0...+50
o
C
Zakres pomiarowy:
HS12P
. . . . . . . . 20...90%RH (bez wykraplania)
HS15P
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20...100%RH
Impedancja przy 50%RH 25
o
C
. . . . . 30...90k
Ω
Tabela 1
Fot. 1 Czujniki HSI5
Rys. 1 Charakterystyka czujnika
wilgotności
Czujnik
Podstawą konstrukcji jest polimerowy czuj−
nik wilgotności oznaczony HS15. Na
foto−
grafii 1
pokazane są w skali 2:1 czujniki
(niebieskie prostopadłościany) zamontowane
na maleńkich płytkach drukowanych – takie
właśnie elementy można zakupić w firmie
Conrad. Obecność na płyteczce diody i rezy−
stora nie ma znaczenia – w większości zasto−
sowań wykorzystywany będzie sam czujnik,
ewentualnie z dodanym szeregowym rezy−
storem ograniczającym (1...2,2k
Elektronika dla Wszystkich
13
(±5%RH)
Napięcie pracy
. . . . . . . . . . . . . . . . . . AC 1Vsk max
Zakres częstotliwości pracy
. . . . . . . . . 50Hz...1kHz
Pobór mocy
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,3mW
).
Dostępne w literaturze informacje na te−
mat tego interesującego elementu są bardzo
Ω
Projekty AVT
zmiennym − nie wolno nań podawać napięć
stałych. Wersja HS15P w jasnej, niebieskiej
obudowie może wprawdzie mierzyć wilgot−
ność do 100%, czyli także w warunkach wy−
kraplania się wody, jednak nie jest dopu−
szczalne zanurzanie czujnika w płynach (co
zresztą nie ma sensu).
Charakterystyka ilustrująca zależność rezy−
stancji od wilgotności względnej (RH – relative
humidity) pokazana jest na
rysunku 1
. Zależ−
ność jest w przybliżeniu logarytmiczna, jednak,
co jest zdecydowanie niekorzystne, silnie zale−
ży od temperatury.
Rysunek 2
pokazuje cha−
rakterystykę dynamiczną – szybkość zmian im−
pedancji przy gwałtownej zmianie wilgotności.
wzrasta, rezystancja czujnika maleje i ampli−
tuda przebiegu zmiennego na wyjściu
wzmacniacza operacyjnego wzrasta. Wska−
źnik pokazuje większą wilgotność.
Zasada działania takiego miernika jest
wprawdzie bardzo prosta, jednak przy prak−
tycznej realizacji należałoby uwzględnić do−
datkowe okoliczności. Jak jednak widać na
rysunku 1, charakterystyka czujnika wilgot−
ności silnie zależy od temperatury. Przy
zmianie temperatury o 20
o
C oporność czujni−
ka maleje kilkakrotnie. Szczegółowy opis
występujących tu zależności byłby skompli−
kowany – dalsze informacje podano w koń−
cowej części artykułu.
W każdym razie aby wyeliminować lub
choćby zmniejszyć tę niekorzystną zależność,
w proponowanym układzie
zastosowano dwustopniową
kompensację wpływu tem−
peratury. Do kompensacji
służą dwa termistory. Jeden
z nich uzależnia od tempera−
tury amplitudę przebiegu
podawanego na czujnik,
drugi umieszczony jest
w pętli sprzężenia zwrotne−
go wzmacniacza operacyj−
nego. Zastosowano właśnie
termistory, ponieważ spo−
śród dostępnych elementów
pomiarowych właśnie one
mają największy współ−
czynnik zmian termicznych.
Schemat ideowy proponowanego układu
pokazany jest na
rysunku 4
.
Układ zasilany jest napięciem stałym nie
mniejszym niż 14,5V. Obecność diody D1
i stosunkowo dużego kondensatora C2 umoż−
liwia też zasilanie napięciem zmiennym, nie
mniejszym niż 12VAC.
Sam układ pomiarowy zasilany jest napię−
ciem 12V ze stabilizatora U1. Do wyświetla−
nia wyniku służy linijka diod LED L1...L10,
sterowana przez „logarytmiczny” wskaźnik
LM3915 pracujący w trybie punktowym.
Kostka LM3915 pełni też dodatkową rolę –
napięcie stałe z nóżek 6, 7 wykorzystywane
jest jako napięcie odniesienia, a właściwie ja−
ko potencjał sztucznej masy dla całego ukła−
du pomiarowego. Przy podanych warto−
ściach R6, R7, R13, napięcie między „praw−
dziwą” masą, czyli punktem O, a sztuczną
masą wynosi około 6,8V.
Napięcie na nóżce 8 nie gra tu istotnej ro−
li, ponieważ jest to jedynie wejście sterujące
wewnętrznego źródła napięcia wzorcowego.
Istotne jest natomiast napięcie na nóżce 4,
która jest wyprowadzeniem wewnętrznej
drabinki rezystorów ustalających progi za−
świecania kolejnych diod LED. Drugi koniec
tej drabinki (n. 6) jest dołączony do sztucznej
masy (zwarte nóżki 6 i 7). Napięcie na nóżce
4 wynosi nieco ponad 3V względem „praw−
dziwej” masy (nóżki 2 U3). Dokładna war−
tość tego napięcia nie jest krytyczna. Istotne
jest to, że przy napięciach wejściowych na
nóżce 5 w granicach 0...3V nie będzie świe−
cić żadna dioda. W zakresie napięć wyzna−
czonych przez potencjały nóżek 4 i 6 zaświe−
cać się będą kolejno diody L1...L10. Przy na−
pięciu wejściowym wyższym od napięcia
sztucznej masy świecić się będą wszystkie
lampki.
Wzmacniacz U2A pracuje jako genera−
tor przebiegu prostokątnego o częstotliwo−
ści około 1kHz i amplitudzie prawie
10Vpp. Częstotliwość nie jest
krytyczna, można ją zmniejszyć,
nawet do 50Hz, przez zwiększe−
nie R9 lub C3. Elementy R10,
Tm2 tworzą dzielnik napięcia
Rys. 2 Charakterystyka dynamiczna
czujnika wilgotności
Według informacji producenta stabilność
parametrów danego egzemplarza jest dobra,
jednak trzeba liczyć się ze znacznymi rozrzu−
tami oporności pomiędzy egzemplarzami.
Opis układu
Rysunek 3
pokazuje przykładowy schemat
blokowy prostego miernika wilgotności,
a zarazem ilustruje działanie opisanego dalej
modułu pomiarowego. Przebieg zmienny
z generatora podawany jest na wzmacniacz
odwracający. Czujnik wilgotności włączony
jest na wejściu i zgodnie z zaleceniami z ka−
talogu, występuje na nim przebieg przemien−
ny, bez składowej stałej. Jeśli wilgotność
Rys. 3 Zasada pomiaru
Rys. 4 Schemat ideowy
14
Elektronika dla Wszystkich
Projekty AVT
o współczynniku podziału zależnym od
temperatury. To jest pierwszy stopień kom−
pensacji temperaturowej układu. Przebieg
o amplitudzie rzędu 1Vpp jest podawany
na bufor z kostką U2B. Należy zauważyć,
że dzięki rezystorowi R11, na wejściach
i wyjściu wzmacniacza U2B potencjał jest
równy potencjałowi sztucznej masy. To sa−
mo dotyczy wzmacniaczy U2C, U2D,
które pracują jako typowe wzmacniacze
odwracające.
Dzięki takiej konfiguracji na czujniku
wilgotności oznaczonym RH1 występuje tyl−
ko niewielki sygnał zmienny, a napięcie stałe
jest równe zeru.
Niewielki sygnał z wyjścia kostki
U2B jest wzmacniany lub osłabiany we
wzmacniaczu U2C, zależnie od chwilowych
rezystancji czujnika RH1 i termistora Tm1.
Na wyjściu wzmacniacza U2C (nóżka 8)
występuje sygnał w przybliżeniu prostokąt−
ny, a jego amplituda zależy od wilgotności
powietrza.
Sygnał ten jest podawany na kolejny
wzmacniacz U2D. Wzmocnienie jest wyzna−
czone przez stosunek R5 do R12+PR2 i mo−
że być zmieniane z pewnych granicach za
pomocą PR2. Rezystor R4 wprowadza
znaczne przesunięcie napięcia wyjściowego
kostki U2D, przez co sygnał na wyjściu
U2D na pewno nie jest symetryczny wzglę−
dem masy. Potencjometr PR1 i rezystor R3
pozwalają dokładnie ustawić wartość tego
przesunięcia. Przyjmijmy na razie, że za po−
mocą PR1 zostanie ustawione spoczynkowe
napięcie na wyjściu kostki U2D, czyli napię−
cie wejściowe kostki U3, równe napięciu na
nóżce 4 kostki U4. Wtedy w stanie spoczyn−
kowym nie świeciłaby żadna dioda. Wzrost
napięcia na wejściu U3 (n. 5) powodowałby
zaświecanie kolejnych diod.
Należy jednak pamiętać, że na wejście
pomiarowe kostki U3 (nóżka 5) podawany
jest sygnał... prostokątny. W module nie za−
stosowano bowiem żadnego prostownika,
a mimo wszystko wskazania są prawidłowe.
Rzecz w tym, że ujemne połówki przebiegu
zmiennego leżą poniżej napięcia na nóżce 4,
a więc w tym czasie żadna z diod nie świeci.
Podczas dodatnich połówek przebiegu za−
świecana jest jedna z diod, odpowiadająca
amplitudzie przebiegu zmiennego. Dzięki ta−
kiemu rozwiązaniu udało się radykalnie
uprościć układ. Trzeba jednak wziąć pod
uwagę, że diody świecą tylko przez 50%
czasu, więc dla zwiększenia ich jasności
przewidziano dodatkowy rezystor R14, po−
zwalający dobrać jasność LED−ów, bez
zmiany omawianych wcześniej progów na−
pięciowych.
Ponieważ charakterystyka wskazań ukła−
du LM3915 jest logarytmiczna, skala wska−
źnika jest w miarę liniowa – w miarę, bo za−
leżność oporności czujnika od wilgotności
względnej nie jest ściśle logarytmiczna.
Montaż i uruchomienie
Stopień trudności projektu określają dwie
gwiazdki. Niemniej montaż, a nawet urucho−
mienie jest bardzo proste i poradzi sobie
z tym nawet słabo zaawansowany elektronik.
W wersji podstawowej do kalibracji nie jest
nawet potrzebny żaden przyrząd pomiarowy,
nawet woltomierz. Układ będzie działał i po−
kazywał zmiany wilgotności.
Budowy takiej podstawowej wersji może
podjąć się niemal każdy.
Układ należy zmontować w klasyczny
sposób na płytce pokazanej na
rysunku 5
.
Warto zacząć od elementów najmniejszych:
zwór i rezystorów, i kolejno montować coraz
większe. Pomocą będzie też fotografia mode−
lu (płytka z rysunku 5 różni się drobnymi
szczegółami od pierwszego modelu z foto−
grafii – rezystor R14 został dolutowany od
druku). Z montażem czujnika też nie będzie
kłopotów – należy wykorzystać dwie nóżki –
trzecia, dołączona tylko do diody pozostaje
wolna.
wany. Zamiast szukać komory klimatycznej,
należy raczej obserwować wskazania zbudo−
wanego przyrządu i porównać je z klasycz−
nym higrometrem domowym.
Potencjometr PR2 reguluje wzmocnienie sy−
gnału i ma wpływ na zakres wskazań. Po pew−
nym czasie użytkowania można przeprowadzić
regulację PR2, by krańcowe zmiany wilgotno−
ści w mieszkaniu powodowały zmiany w zakre−
sie wszystkich dziesięciu diod linijki.
Jak wspomniano na wstępie, opisany mo−
duł jest doskonałą podstawą do eksperymen−
tów. Będzie też dobrze pełnić funkcję mierni−
ka wilgotności (higrometru), o ile tylko zmia−
ny temperatury otoczenia nie będą zbyt duże.
Można też na jego bazie wykonać regulatory
wilgotności, wykorzystując pseudocyfrowe
sygnały sterujące diody LED L1...L10. To już
nie jest jednak zadanie dla początkujących.
Tylko dla dociekliwych
Dociekliwym eksperymentatorom, którzy na
pewno zechcą wykorzystać ten interesujący ele−
ment w różnych własnych kon−
strukcjach należy przypomnieć, że
napięcie zmienne na czujniku RH1
nie powinno być większe niż
1Vrms, czyli w przypadku przebie−
gu prostokątnego 2Vpp.
Wypadałoby też w ogólnym
zarysie przypomnieć, co to jest
wilgotność powietrza. Jak wiado−
mo w powietrzu zawarta jest też
para wodna. Ogólnie biorąc, wil−
gotność wskazuje na jej zawar−
tość. Tej pary nie może być w po−
wietrzu zbyt dużo. Istnieje górna
granica. Co ważne, ilość pary
wodnej, jaka może być zawarta
w powietrzu silnie zależy od tem−
peratury. Czym wyższa tempera−
tura, tym więcej pary może być w powietrzu.
I na odwrót.
Przypuśćmy, że w jakieś dość wysokiej
temperaturze w powietrzu zawarta jest ma−
ksymalna ilość pary wodnej. Po zmniejsze−
niu temperatury część tej pary z pewnością
wykropli się w postaci rosy. Często obserwu−
jemy to zjawisko w postaci mgły, deszczu
i kropelek rosy, zwłaszcza na zimnych po−
wierzchniach.
Ilościową zawartość pary wodnej w po−
wietrzu określa tak zwana
wilgotność bez−
względna
. Natomiast
wilgotność względna
to, najogólniej biorąc, parametr uwzględnia−
jący wpływ temperatury. Jeśli przy stałej za−
wartości wody w powietrzu temperatura spa−
da, wtedy wilgotność względna rośnie, a wil−
gotność bezwzględna pozostaje ta sama.
Pierwszy rzut oka na rysunek 1 może stwa−
rzać wrażenie, iż czujnik HS15 z natury jest
czujnikiem wilgotności bezwzględnej. Bliższa
analiza zaprzecza temu. Przy niezmiennej za−
wartości pary i przy wzroście temperatury wil−
gotność względna zmniejsza się, natomiast
Rys. 5 Schemat montażowy
Wartość rezystora R14 można zmieniać,
zależnie od efektywności zastosowanych
diod LED.
Uwaga! Podczas montażu nie lutować re−
zystora R12! Zostanie on wlutowany po re−
gulacji potencjometru P1.
Po zmontowaniu układu (bez R12) należy
sprawdzić, czy napięcie zasilające na wyjściu
stabilizatora rzeczywiście wynosi 12V±5%.
Jeśli tak, należy ustawić PR1 na granicy za−
świecania pierwszej diody LED L1. Następnie,
po odłączeniu zasilania, należy wlutować R12
i ustawić PR2 w środkowym położeniu. Wska−
zanie linijki świetlnej będzie zależeć od aktual−
nej wilgotności. Aby sprawdzić jego działanie,
trzeba delikatnie chuchać na niebieski czujnik
wilgotności. Po kilkunastu sekundach wskaza−
nie linijki świetlnej powinno wzrosnąć.
Po tej prostej regulacji przyrząd jest goto−
wy do pracy. Ze względu na rozrzuty para−
metrów czujnika i termistorów trudno
mówić, że przyrząd jest precyzyjnie skalibro−
Elektronika dla Wszystkich
15
Projekty AVT
wilgotność bezwzględna pozostaje stała. Gdy−
by HS15 był czujnikiem wilgotności bez−
względnej, to przy stałej zawartości pary
w powietrzu rezystancja czujnika też powinna
być stała, niezależna od temperatury.
Dwie gwiazdki „wyceniające” stopień
trudności wskazują głównie na fakt, że ze
względu na właściwości czujnika precyzyjna
kalibracja układu nie jest łatwa. Dokładna ka−
libracja wymagałaby porównania z wzorco−
wym higrometrem przy różnej wilgotności
i w różnych temperaturach, co wymaga sko−
rzystania z komory klimatycznej i jest nieosią−
galne dla ogromnej większości Czytelników.
W praktyce okaże się, że uzyskanie ideal−
nej precyzji jest trudne, wręcz niemożliwe.
Jeśli ktoś chciałby wykonać przyrząd poka−
zujący dokładną wartość wilgotności
względnej w szerokim zakresie temperatur,
musiałby dodatkowo sprawdzić i indywidu−
alnie dobrać elementy obwodów kompensa−
cji temperatury. W opisie układu wspomnia−
no, iż dwa termistory kompensują wpływ
temperatury na czujnik wilgotności. Przyj−
rzyjmy się temu bliżej.
Jak wiadomo rezystancja termistora NTC
zmniejsza się z temperaturą. Nie jest to jed−
nak zależność liniowa. Przybliżoną zależ−
ność wyraża wzór R = A e
B/T
gdzie A i B to
stałe, charakterystyczne dla danego termisto−
ra, e – podstawa logarytmów naturalnych, T −
temperatura bezwzględna w
o
K.
W uproszczeniu można przyjąć, że A to
rezystancja charakterystyczna (ale nie ta po−
dawana w katalogach), natomiast B to współ−
czynnik termiczny, wyrażony w
o
K.
W praktyce, aby obliczyć rezystancję dane−
go termistora w dowolnej temperaturze T trze−
ba znać jego rezystancję Rn w temperaturze
odniesienia T
0
(zwykle +20
o
C lub +25
o
C)
oraz współczynnik B, podane w katalogu.
Należy wykorzystać wzór:
R
T
= Rn e
(B/T – B/T
0
)
nie zapominając podać temperaturę w w kel−
winach, a nie stopniach Celsjusza.
Wartość współczynnika B termistorów
zawiera się w granicach 2000K...4000K,
zwykle około 3600...4000K.
Załóżmy, że termistor do kompensacji hi−
grometru ma współczynnik B równy 3700
i rezystancję nominalną 22k
Jak widać, rezystancja termistora przy
spadku temperatury do +15
o
C wzrośnie do
około 154% wartości nominalnej, natomiast
przy wzroście do +35
o
C zmniejszy się do
około 67% wartości znamionowej. Rzut oka
na rysunek 1 przekonuje, iż jeden termistor
nie skompensuje w pełni zmian cieplnych
czujnika wilgotności. Przy niezmiennej wil−
gotności względnej, przykładowo 60%RH,
czujnik wilgotności przy wzroście temperatu−
ry o 10 stopni zmniejszy swą rezystancję oko−
ło dwukrotnie (nieco więcej). Natomiast przy
spadku temperatury o 10 stopni, rezystancja
zwiększy się mniej więcej 2,5−krotnie.
Aby w pełni skompensować czujnik wilgo−
ci pod względem termicznym, należy zastoso−
wać skuteczniejszą kompensację, na przykład
z wykorzystaniem dwóch termistorów, a wte−
dy z pomnożenia dwóch współczynników
uzyska się znacznie lepsze wyniki.
1,539
2
≈
2,37
wspomniany czujnik miał współczynnik cie−
plny wynoszący tylko 0,36%RH/
o
C, a pre−
zentowany w niniejszym artykule czujnik
HS15 ma znacznie większy współczynnik
cieplny. Niemniej warto zapoznać się z za−
prezentowanym tam rozwiązaniem, choćby
z uwagi na wzmacniacz logarytmujący,
skompensowany termicznie w niecodzienny
sposób.
Dociekliwi Czytelnicy, którzy pomimo
opisanych niezbyt korzystnych cech czujnika
HS15 zechcą zbudować oparty na nim precy−
zyjny miernik lub regulator wilgotności, po−
winni raczej wykorzystać mikroprocesor i po
zmierzeniu konkretnego czujnika w różnych
warunkach wprowadzić informację o prze−
biegu charakterystyki i współczynniku ko−
rekcji do pamięci systemu.
Czujnik HS15 może też być wykorzysta−
ny w układach regulacji wilgotności. Jeśliby
Czytelnicy EdW byli zainteresowani dalszy−
mi przykładami wykorzystania tego interesu−
jącego elementu, prosimy o zgłoszenia w li−
stach oraz w ramach Miniankiety.
0,446
co jest bardzo zbliżone do potrzeb. Aby uzy−
skać dobrą kompensację, należałoby zastoso−
wać termistory o znanym, dokładnie określo−
nym współczynniku B. Być może okaże się,
że do kompensacji wpływu temperatury je−
den termistor to za mało, a dwa za dużo. Wte−
dy trzeba byłoby zastosować dodatkowe
dzielniki, by uzyskać potrzebny wypadkowy
współczynnik cieplny. To na pewno nie jest
zadanie dla początkujących.
I kolejna sprawa. Nawet gdy uda się za
pomocą termistorów precyzyjnie skalibro−
wać przyrząd przy jakiejś wilgotności, nie
będzie on tak samo dokładny przy innych
wartościach wilgotności. Świadczy o tym
charakterystyka z rysunku 1, a konkretnie
takt, ze charakterystyki dla różnych tempera−
tur nieco się rozbiegają.
A i to jeszcze nie wszystko. Trudno ocenić,
jak długo idealnie skompensowany przyrząd
będzie dawał prawidłowe wskazania. Produ−
cent czujnika nie podaje w karcie katalogowej
dokładnych informacji na temat stabilności
długoczasowej. W katalogu można jedynie
znaleźć zdanie:
Good long term stability
.
Wynika stąd wniosek, że przyczyną trud−
ności z kalibracją są takie, a nie inne charak−
terystyki czujnika polimerowego. Na szczę−
ście do eksperymentów i zastosowań domo−
wych wysoka precyzja wcale nie jest po−
trzebna, więc zastosowane proste rozwiąza−
nie układowe okaże się interesujące zarówno
dla hobbystów, jak i dla profesjonalistów.
Podobną koncepcję, ale zupełnie inne roz−
wiązanie układowe opisano w nocie aplika−
cyjnej National Semiconductor AN−256
(umieszczonej także na stronie internetowej
EdW). Materiał tam zawarty pochodzi z roku
1981 i opisuje układ pomiarowy wykorzy−
stujący czujnik polimerowy o podobnym
działaniu, ale o znacząco innych parame−
trach. Zaproponowanego tam rozwiązania
nie da się bezpośrednio skopiować, ponieważ
≈
Piotr Górecki
Notę aplikacyjną NS AN−256 można ścią−
gnąć ze strony
www.natsemi.com
lub ze strony
EdW:
www.edw.com.pl/library/pliki/nsan256.zip.
Opis regulatora wilgotności z tym czujni−
kiem był podany w ELV 1/2001 str 82.
Wykaz elementów
Rezystory
R1,,R2,,R5,,R8,,R9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
Ω
Ω
R4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..130k
Ω
R6 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..2,,2k
Ω
R7,,R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..3,,9k
Ω
Ω
R11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1M
Ω
R12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..47k
Ω
R14 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..6,,8k
Ω
PR miiniiatturrowy
Tm1,,Tm2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..22k
Ω
tterrmiisttorr
Kondensatory
C1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10µF//16V
C2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..470µF//25V
C3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..68nF
C4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100nF
Półprzewodniki
D1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1N4001
L1−L10 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LED ((3mm czzerrw..))
U1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LM7812
U2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..TL084
U3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LM3915
Inne
RH1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..czzujjniik HP15S
w temperatu−
rze +25
o
C. Obliczmy rezystancję dla tempe−
ratur +15
o
C oraz +35
o
C.
Dla 15
o
C czyli 288K:
R
15
= 22k
Ω
e
(3700/288 – 3700/298)
R
15
= 22kΩ e
(12,848 – 12,416)
R
15
= 22kΩ e
0,43111
R
15
= 22k
Ω
*
1,539
R
15
= 33,86k
Ω
Ω
Dla +35
o
C, czyli 308K:
R
35
= 22kΩ e
(3700/308 – 3700/298)
R
35
= 22k
Ω
e
(12,013 – 12,416)
Komplet podzespołów z płytką jest
dostępny w sieci handlowej AVT jako
kit szkolny AVT−2607
e
−0,40313
R
35
= 22kΩ *
0,66823
R
35
= 14,70kΩ
Ω
16
Elektronika dla Wszystkich
0,668
2
R3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..680k
R10 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..220k
PR1,,PR2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
Ω
R
35
= 22k
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
zanotowane.pl doc.pisz.pl pdf.pisz.pl charloteee.keep.pl
++
Projekty AVT
Higrometr
elektroniczny
2 6 0 7
Pomiar na drodze elektronicznej wielkości
nieelektrycznych budzi zainteresowanie wie−
lu Czytelników EdW, jednak uzależniony jest
od dostępnych czujników. Jedną z interesują−
cych, ale trudnych do pomiaru wielkości nie−
elektrycznych, jest wilgotność powietrza.
Przeszkodą są głównie wysokie ceny czujni−
ków wilgotności. Od pewnego czasu dobrze
znana Czytelnikom EdW firma wysyłkowa
Conrad Electronic ma w swojej ofercie nie−
drogi czujnik wilgotności, który może być
podstawą niezmiernie interesujących ekspe−
rymentów, a przy uwzględnieniu specyficz−
nych cech może także posłużyć do budowy
mierników i regulatorów wilgotności. Czuj−
nik ten oferowany jest także w polskiej wersji
katalogu Conrada.
Na bazie tego czujnika powstał nieskom−
plikowany układ do pomiaru wilgotności.
Wskaźnikiem jest linijka zawierająca dzie−
sięć diod LED. Zasadniczo jest to układ prze−
znaczony do eksperymentów, niemniej przy
właściwej kalibracji może z powodzeniem
służyć do pomiaru wilgotności, nie tylko
w warunkach domowych.
skąpe. Czujnik przeznaczony jest do stoso−
wania w regulatorach wilgotności, nawilża−
czach, suszarniach, systemach wentylacyj−
nych, klimatyzatorach, itp.
Wiadomo, że jest to czujnik polimerowy,
a więc materiałem aktywnym jest rodzaj two−
rzywa sztucznego. Wilgotność wpływa silnie
na oporność tego tworzywa, a konkretnie
przy wzroście wilgotności oporność maleje.
W zasadzie należałoby mówić o impedancji,
bo czujnik zawsze pracuje z sygnałami
zmiennymi. Można przyjąć, że chodzi
o zmiany rezystancji, choć przy bliższym zba−
daniu okazało się, iż czujnik wykazuje obe−
cność niewielkiej składowej reaktancyjnej.
Od lat znane są czujniki wilgotności za−
wierające grzałkę, czy wymagające innego
rodzaju odświeżania. Prezentowany czujnik
nie wymaga żadnych dodatkowych zabiegów
czy obwodów sterujących. Ma tylko dwie
końcówki. W sumie można uznać, że jest to
rezystor, którego oporność zależy od wilgot−
ności względnej powietrza.
Podstawowe parametry zawarte są w
tabeli 1
.
Ze względu na wykorzystany materiał
czynny, czujnik musi pracować przy napięciu
Zakres temperatur pracy
. . . . . . . . . . . . . . 0...+50
o
C
Zakres pomiarowy:
HS12P
. . . . . . . . 20...90%RH (bez wykraplania)
HS15P
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20...100%RH
Impedancja przy 50%RH 25
o
C
. . . . . 30...90k
Ω
Tabela 1
Fot. 1 Czujniki HSI5
Rys. 1 Charakterystyka czujnika
wilgotności
Czujnik
Podstawą konstrukcji jest polimerowy czuj−
nik wilgotności oznaczony HS15. Na
foto−
grafii 1
pokazane są w skali 2:1 czujniki
(niebieskie prostopadłościany) zamontowane
na maleńkich płytkach drukowanych – takie
właśnie elementy można zakupić w firmie
Conrad. Obecność na płyteczce diody i rezy−
stora nie ma znaczenia – w większości zasto−
sowań wykorzystywany będzie sam czujnik,
ewentualnie z dodanym szeregowym rezy−
storem ograniczającym (1...2,2k
Elektronika dla Wszystkich
13
(±5%RH)
Napięcie pracy
. . . . . . . . . . . . . . . . . . AC 1Vsk max
Zakres częstotliwości pracy
. . . . . . . . . 50Hz...1kHz
Pobór mocy
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,3mW
).
Dostępne w literaturze informacje na te−
mat tego interesującego elementu są bardzo
Ω
Projekty AVT
zmiennym − nie wolno nań podawać napięć
stałych. Wersja HS15P w jasnej, niebieskiej
obudowie może wprawdzie mierzyć wilgot−
ność do 100%, czyli także w warunkach wy−
kraplania się wody, jednak nie jest dopu−
szczalne zanurzanie czujnika w płynach (co
zresztą nie ma sensu).
Charakterystyka ilustrująca zależność rezy−
stancji od wilgotności względnej (RH – relative
humidity) pokazana jest na
rysunku 1
. Zależ−
ność jest w przybliżeniu logarytmiczna, jednak,
co jest zdecydowanie niekorzystne, silnie zale−
ży od temperatury.
Rysunek 2
pokazuje cha−
rakterystykę dynamiczną – szybkość zmian im−
pedancji przy gwałtownej zmianie wilgotności.
wzrasta, rezystancja czujnika maleje i ampli−
tuda przebiegu zmiennego na wyjściu
wzmacniacza operacyjnego wzrasta. Wska−
źnik pokazuje większą wilgotność.
Zasada działania takiego miernika jest
wprawdzie bardzo prosta, jednak przy prak−
tycznej realizacji należałoby uwzględnić do−
datkowe okoliczności. Jak jednak widać na
rysunku 1, charakterystyka czujnika wilgot−
ności silnie zależy od temperatury. Przy
zmianie temperatury o 20
o
C oporność czujni−
ka maleje kilkakrotnie. Szczegółowy opis
występujących tu zależności byłby skompli−
kowany – dalsze informacje podano w koń−
cowej części artykułu.
W każdym razie aby wyeliminować lub
choćby zmniejszyć tę niekorzystną zależność,
w proponowanym układzie
zastosowano dwustopniową
kompensację wpływu tem−
peratury. Do kompensacji
służą dwa termistory. Jeden
z nich uzależnia od tempera−
tury amplitudę przebiegu
podawanego na czujnik,
drugi umieszczony jest
w pętli sprzężenia zwrotne−
go wzmacniacza operacyj−
nego. Zastosowano właśnie
termistory, ponieważ spo−
śród dostępnych elementów
pomiarowych właśnie one
mają największy współ−
czynnik zmian termicznych.
Schemat ideowy proponowanego układu
pokazany jest na
rysunku 4
.
Układ zasilany jest napięciem stałym nie
mniejszym niż 14,5V. Obecność diody D1
i stosunkowo dużego kondensatora C2 umoż−
liwia też zasilanie napięciem zmiennym, nie
mniejszym niż 12VAC.
Sam układ pomiarowy zasilany jest napię−
ciem 12V ze stabilizatora U1. Do wyświetla−
nia wyniku służy linijka diod LED L1...L10,
sterowana przez „logarytmiczny” wskaźnik
LM3915 pracujący w trybie punktowym.
Kostka LM3915 pełni też dodatkową rolę –
napięcie stałe z nóżek 6, 7 wykorzystywane
jest jako napięcie odniesienia, a właściwie ja−
ko potencjał sztucznej masy dla całego ukła−
du pomiarowego. Przy podanych warto−
ściach R6, R7, R13, napięcie między „praw−
dziwą” masą, czyli punktem O, a sztuczną
masą wynosi około 6,8V.
Napięcie na nóżce 8 nie gra tu istotnej ro−
li, ponieważ jest to jedynie wejście sterujące
wewnętrznego źródła napięcia wzorcowego.
Istotne jest natomiast napięcie na nóżce 4,
która jest wyprowadzeniem wewnętrznej
drabinki rezystorów ustalających progi za−
świecania kolejnych diod LED. Drugi koniec
tej drabinki (n. 6) jest dołączony do sztucznej
masy (zwarte nóżki 6 i 7). Napięcie na nóżce
4 wynosi nieco ponad 3V względem „praw−
dziwej” masy (nóżki 2 U3). Dokładna war−
tość tego napięcia nie jest krytyczna. Istotne
jest to, że przy napięciach wejściowych na
nóżce 5 w granicach 0...3V nie będzie świe−
cić żadna dioda. W zakresie napięć wyzna−
czonych przez potencjały nóżek 4 i 6 zaświe−
cać się będą kolejno diody L1...L10. Przy na−
pięciu wejściowym wyższym od napięcia
sztucznej masy świecić się będą wszystkie
lampki.
Wzmacniacz U2A pracuje jako genera−
tor przebiegu prostokątnego o częstotliwo−
ści około 1kHz i amplitudzie prawie
10Vpp. Częstotliwość nie jest
krytyczna, można ją zmniejszyć,
nawet do 50Hz, przez zwiększe−
nie R9 lub C3. Elementy R10,
Tm2 tworzą dzielnik napięcia
Rys. 2 Charakterystyka dynamiczna
czujnika wilgotności
Według informacji producenta stabilność
parametrów danego egzemplarza jest dobra,
jednak trzeba liczyć się ze znacznymi rozrzu−
tami oporności pomiędzy egzemplarzami.
Opis układu
Rysunek 3
pokazuje przykładowy schemat
blokowy prostego miernika wilgotności,
a zarazem ilustruje działanie opisanego dalej
modułu pomiarowego. Przebieg zmienny
z generatora podawany jest na wzmacniacz
odwracający. Czujnik wilgotności włączony
jest na wejściu i zgodnie z zaleceniami z ka−
talogu, występuje na nim przebieg przemien−
ny, bez składowej stałej. Jeśli wilgotność
Rys. 3 Zasada pomiaru
Rys. 4 Schemat ideowy
14
Elektronika dla Wszystkich
Projekty AVT
o współczynniku podziału zależnym od
temperatury. To jest pierwszy stopień kom−
pensacji temperaturowej układu. Przebieg
o amplitudzie rzędu 1Vpp jest podawany
na bufor z kostką U2B. Należy zauważyć,
że dzięki rezystorowi R11, na wejściach
i wyjściu wzmacniacza U2B potencjał jest
równy potencjałowi sztucznej masy. To sa−
mo dotyczy wzmacniaczy U2C, U2D,
które pracują jako typowe wzmacniacze
odwracające.
Dzięki takiej konfiguracji na czujniku
wilgotności oznaczonym RH1 występuje tyl−
ko niewielki sygnał zmienny, a napięcie stałe
jest równe zeru.
Niewielki sygnał z wyjścia kostki
U2B jest wzmacniany lub osłabiany we
wzmacniaczu U2C, zależnie od chwilowych
rezystancji czujnika RH1 i termistora Tm1.
Na wyjściu wzmacniacza U2C (nóżka 8)
występuje sygnał w przybliżeniu prostokąt−
ny, a jego amplituda zależy od wilgotności
powietrza.
Sygnał ten jest podawany na kolejny
wzmacniacz U2D. Wzmocnienie jest wyzna−
czone przez stosunek R5 do R12+PR2 i mo−
że być zmieniane z pewnych granicach za
pomocą PR2. Rezystor R4 wprowadza
znaczne przesunięcie napięcia wyjściowego
kostki U2D, przez co sygnał na wyjściu
U2D na pewno nie jest symetryczny wzglę−
dem masy. Potencjometr PR1 i rezystor R3
pozwalają dokładnie ustawić wartość tego
przesunięcia. Przyjmijmy na razie, że za po−
mocą PR1 zostanie ustawione spoczynkowe
napięcie na wyjściu kostki U2D, czyli napię−
cie wejściowe kostki U3, równe napięciu na
nóżce 4 kostki U4. Wtedy w stanie spoczyn−
kowym nie świeciłaby żadna dioda. Wzrost
napięcia na wejściu U3 (n. 5) powodowałby
zaświecanie kolejnych diod.
Należy jednak pamiętać, że na wejście
pomiarowe kostki U3 (nóżka 5) podawany
jest sygnał... prostokątny. W module nie za−
stosowano bowiem żadnego prostownika,
a mimo wszystko wskazania są prawidłowe.
Rzecz w tym, że ujemne połówki przebiegu
zmiennego leżą poniżej napięcia na nóżce 4,
a więc w tym czasie żadna z diod nie świeci.
Podczas dodatnich połówek przebiegu za−
świecana jest jedna z diod, odpowiadająca
amplitudzie przebiegu zmiennego. Dzięki ta−
kiemu rozwiązaniu udało się radykalnie
uprościć układ. Trzeba jednak wziąć pod
uwagę, że diody świecą tylko przez 50%
czasu, więc dla zwiększenia ich jasności
przewidziano dodatkowy rezystor R14, po−
zwalający dobrać jasność LED−ów, bez
zmiany omawianych wcześniej progów na−
pięciowych.
Ponieważ charakterystyka wskazań ukła−
du LM3915 jest logarytmiczna, skala wska−
źnika jest w miarę liniowa – w miarę, bo za−
leżność oporności czujnika od wilgotności
względnej nie jest ściśle logarytmiczna.
Montaż i uruchomienie
Stopień trudności projektu określają dwie
gwiazdki. Niemniej montaż, a nawet urucho−
mienie jest bardzo proste i poradzi sobie
z tym nawet słabo zaawansowany elektronik.
W wersji podstawowej do kalibracji nie jest
nawet potrzebny żaden przyrząd pomiarowy,
nawet woltomierz. Układ będzie działał i po−
kazywał zmiany wilgotności.
Budowy takiej podstawowej wersji może
podjąć się niemal każdy.
Układ należy zmontować w klasyczny
sposób na płytce pokazanej na
rysunku 5
.
Warto zacząć od elementów najmniejszych:
zwór i rezystorów, i kolejno montować coraz
większe. Pomocą będzie też fotografia mode−
lu (płytka z rysunku 5 różni się drobnymi
szczegółami od pierwszego modelu z foto−
grafii – rezystor R14 został dolutowany od
druku). Z montażem czujnika też nie będzie
kłopotów – należy wykorzystać dwie nóżki –
trzecia, dołączona tylko do diody pozostaje
wolna.
wany. Zamiast szukać komory klimatycznej,
należy raczej obserwować wskazania zbudo−
wanego przyrządu i porównać je z klasycz−
nym higrometrem domowym.
Potencjometr PR2 reguluje wzmocnienie sy−
gnału i ma wpływ na zakres wskazań. Po pew−
nym czasie użytkowania można przeprowadzić
regulację PR2, by krańcowe zmiany wilgotno−
ści w mieszkaniu powodowały zmiany w zakre−
sie wszystkich dziesięciu diod linijki.
Jak wspomniano na wstępie, opisany mo−
duł jest doskonałą podstawą do eksperymen−
tów. Będzie też dobrze pełnić funkcję mierni−
ka wilgotności (higrometru), o ile tylko zmia−
ny temperatury otoczenia nie będą zbyt duże.
Można też na jego bazie wykonać regulatory
wilgotności, wykorzystując pseudocyfrowe
sygnały sterujące diody LED L1...L10. To już
nie jest jednak zadanie dla początkujących.
Tylko dla dociekliwych
Dociekliwym eksperymentatorom, którzy na
pewno zechcą wykorzystać ten interesujący ele−
ment w różnych własnych kon−
strukcjach należy przypomnieć, że
napięcie zmienne na czujniku RH1
nie powinno być większe niż
1Vrms, czyli w przypadku przebie−
gu prostokątnego 2Vpp.
Wypadałoby też w ogólnym
zarysie przypomnieć, co to jest
wilgotność powietrza. Jak wiado−
mo w powietrzu zawarta jest też
para wodna. Ogólnie biorąc, wil−
gotność wskazuje na jej zawar−
tość. Tej pary nie może być w po−
wietrzu zbyt dużo. Istnieje górna
granica. Co ważne, ilość pary
wodnej, jaka może być zawarta
w powietrzu silnie zależy od tem−
peratury. Czym wyższa tempera−
tura, tym więcej pary może być w powietrzu.
I na odwrót.
Przypuśćmy, że w jakieś dość wysokiej
temperaturze w powietrzu zawarta jest ma−
ksymalna ilość pary wodnej. Po zmniejsze−
niu temperatury część tej pary z pewnością
wykropli się w postaci rosy. Często obserwu−
jemy to zjawisko w postaci mgły, deszczu
i kropelek rosy, zwłaszcza na zimnych po−
wierzchniach.
Ilościową zawartość pary wodnej w po−
wietrzu określa tak zwana
wilgotność bez−
względna
. Natomiast
wilgotność względna
to, najogólniej biorąc, parametr uwzględnia−
jący wpływ temperatury. Jeśli przy stałej za−
wartości wody w powietrzu temperatura spa−
da, wtedy wilgotność względna rośnie, a wil−
gotność bezwzględna pozostaje ta sama.
Pierwszy rzut oka na rysunek 1 może stwa−
rzać wrażenie, iż czujnik HS15 z natury jest
czujnikiem wilgotności bezwzględnej. Bliższa
analiza zaprzecza temu. Przy niezmiennej za−
wartości pary i przy wzroście temperatury wil−
gotność względna zmniejsza się, natomiast
Rys. 5 Schemat montażowy
Wartość rezystora R14 można zmieniać,
zależnie od efektywności zastosowanych
diod LED.
Uwaga! Podczas montażu nie lutować re−
zystora R12! Zostanie on wlutowany po re−
gulacji potencjometru P1.
Po zmontowaniu układu (bez R12) należy
sprawdzić, czy napięcie zasilające na wyjściu
stabilizatora rzeczywiście wynosi 12V±5%.
Jeśli tak, należy ustawić PR1 na granicy za−
świecania pierwszej diody LED L1. Następnie,
po odłączeniu zasilania, należy wlutować R12
i ustawić PR2 w środkowym położeniu. Wska−
zanie linijki świetlnej będzie zależeć od aktual−
nej wilgotności. Aby sprawdzić jego działanie,
trzeba delikatnie chuchać na niebieski czujnik
wilgotności. Po kilkunastu sekundach wskaza−
nie linijki świetlnej powinno wzrosnąć.
Po tej prostej regulacji przyrząd jest goto−
wy do pracy. Ze względu na rozrzuty para−
metrów czujnika i termistorów trudno
mówić, że przyrząd jest precyzyjnie skalibro−
Elektronika dla Wszystkich
15
Projekty AVT
wilgotność bezwzględna pozostaje stała. Gdy−
by HS15 był czujnikiem wilgotności bez−
względnej, to przy stałej zawartości pary
w powietrzu rezystancja czujnika też powinna
być stała, niezależna od temperatury.
Dwie gwiazdki „wyceniające” stopień
trudności wskazują głównie na fakt, że ze
względu na właściwości czujnika precyzyjna
kalibracja układu nie jest łatwa. Dokładna ka−
libracja wymagałaby porównania z wzorco−
wym higrometrem przy różnej wilgotności
i w różnych temperaturach, co wymaga sko−
rzystania z komory klimatycznej i jest nieosią−
galne dla ogromnej większości Czytelników.
W praktyce okaże się, że uzyskanie ideal−
nej precyzji jest trudne, wręcz niemożliwe.
Jeśli ktoś chciałby wykonać przyrząd poka−
zujący dokładną wartość wilgotności
względnej w szerokim zakresie temperatur,
musiałby dodatkowo sprawdzić i indywidu−
alnie dobrać elementy obwodów kompensa−
cji temperatury. W opisie układu wspomnia−
no, iż dwa termistory kompensują wpływ
temperatury na czujnik wilgotności. Przyj−
rzyjmy się temu bliżej.
Jak wiadomo rezystancja termistora NTC
zmniejsza się z temperaturą. Nie jest to jed−
nak zależność liniowa. Przybliżoną zależ−
ność wyraża wzór R = A e
B/T
gdzie A i B to
stałe, charakterystyczne dla danego termisto−
ra, e – podstawa logarytmów naturalnych, T −
temperatura bezwzględna w
o
K.
W uproszczeniu można przyjąć, że A to
rezystancja charakterystyczna (ale nie ta po−
dawana w katalogach), natomiast B to współ−
czynnik termiczny, wyrażony w
o
K.
W praktyce, aby obliczyć rezystancję dane−
go termistora w dowolnej temperaturze T trze−
ba znać jego rezystancję Rn w temperaturze
odniesienia T
0
(zwykle +20
o
C lub +25
o
C)
oraz współczynnik B, podane w katalogu.
Należy wykorzystać wzór:
R
T
= Rn e
(B/T – B/T
0
)
nie zapominając podać temperaturę w w kel−
winach, a nie stopniach Celsjusza.
Wartość współczynnika B termistorów
zawiera się w granicach 2000K...4000K,
zwykle około 3600...4000K.
Załóżmy, że termistor do kompensacji hi−
grometru ma współczynnik B równy 3700
i rezystancję nominalną 22k
Jak widać, rezystancja termistora przy
spadku temperatury do +15
o
C wzrośnie do
około 154% wartości nominalnej, natomiast
przy wzroście do +35
o
C zmniejszy się do
około 67% wartości znamionowej. Rzut oka
na rysunek 1 przekonuje, iż jeden termistor
nie skompensuje w pełni zmian cieplnych
czujnika wilgotności. Przy niezmiennej wil−
gotności względnej, przykładowo 60%RH,
czujnik wilgotności przy wzroście temperatu−
ry o 10 stopni zmniejszy swą rezystancję oko−
ło dwukrotnie (nieco więcej). Natomiast przy
spadku temperatury o 10 stopni, rezystancja
zwiększy się mniej więcej 2,5−krotnie.
Aby w pełni skompensować czujnik wilgo−
ci pod względem termicznym, należy zastoso−
wać skuteczniejszą kompensację, na przykład
z wykorzystaniem dwóch termistorów, a wte−
dy z pomnożenia dwóch współczynników
uzyska się znacznie lepsze wyniki.
1,539
2
≈
2,37
wspomniany czujnik miał współczynnik cie−
plny wynoszący tylko 0,36%RH/
o
C, a pre−
zentowany w niniejszym artykule czujnik
HS15 ma znacznie większy współczynnik
cieplny. Niemniej warto zapoznać się z za−
prezentowanym tam rozwiązaniem, choćby
z uwagi na wzmacniacz logarytmujący,
skompensowany termicznie w niecodzienny
sposób.
Dociekliwi Czytelnicy, którzy pomimo
opisanych niezbyt korzystnych cech czujnika
HS15 zechcą zbudować oparty na nim precy−
zyjny miernik lub regulator wilgotności, po−
winni raczej wykorzystać mikroprocesor i po
zmierzeniu konkretnego czujnika w różnych
warunkach wprowadzić informację o prze−
biegu charakterystyki i współczynniku ko−
rekcji do pamięci systemu.
Czujnik HS15 może też być wykorzysta−
ny w układach regulacji wilgotności. Jeśliby
Czytelnicy EdW byli zainteresowani dalszy−
mi przykładami wykorzystania tego interesu−
jącego elementu, prosimy o zgłoszenia w li−
stach oraz w ramach Miniankiety.
0,446
co jest bardzo zbliżone do potrzeb. Aby uzy−
skać dobrą kompensację, należałoby zastoso−
wać termistory o znanym, dokładnie określo−
nym współczynniku B. Być może okaże się,
że do kompensacji wpływu temperatury je−
den termistor to za mało, a dwa za dużo. Wte−
dy trzeba byłoby zastosować dodatkowe
dzielniki, by uzyskać potrzebny wypadkowy
współczynnik cieplny. To na pewno nie jest
zadanie dla początkujących.
I kolejna sprawa. Nawet gdy uda się za
pomocą termistorów precyzyjnie skalibro−
wać przyrząd przy jakiejś wilgotności, nie
będzie on tak samo dokładny przy innych
wartościach wilgotności. Świadczy o tym
charakterystyka z rysunku 1, a konkretnie
takt, ze charakterystyki dla różnych tempera−
tur nieco się rozbiegają.
A i to jeszcze nie wszystko. Trudno ocenić,
jak długo idealnie skompensowany przyrząd
będzie dawał prawidłowe wskazania. Produ−
cent czujnika nie podaje w karcie katalogowej
dokładnych informacji na temat stabilności
długoczasowej. W katalogu można jedynie
znaleźć zdanie:
Good long term stability
.
Wynika stąd wniosek, że przyczyną trud−
ności z kalibracją są takie, a nie inne charak−
terystyki czujnika polimerowego. Na szczę−
ście do eksperymentów i zastosowań domo−
wych wysoka precyzja wcale nie jest po−
trzebna, więc zastosowane proste rozwiąza−
nie układowe okaże się interesujące zarówno
dla hobbystów, jak i dla profesjonalistów.
Podobną koncepcję, ale zupełnie inne roz−
wiązanie układowe opisano w nocie aplika−
cyjnej National Semiconductor AN−256
(umieszczonej także na stronie internetowej
EdW). Materiał tam zawarty pochodzi z roku
1981 i opisuje układ pomiarowy wykorzy−
stujący czujnik polimerowy o podobnym
działaniu, ale o znacząco innych parame−
trach. Zaproponowanego tam rozwiązania
nie da się bezpośrednio skopiować, ponieważ
≈
Piotr Górecki
Notę aplikacyjną NS AN−256 można ścią−
gnąć ze strony
www.natsemi.com
lub ze strony
EdW:
www.edw.com.pl/library/pliki/nsan256.zip.
Opis regulatora wilgotności z tym czujni−
kiem był podany w ELV 1/2001 str 82.
Wykaz elementów
Rezystory
R1,,R2,,R5,,R8,,R9 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
Ω
Ω
R4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..130k
Ω
R6 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..2,,2k
Ω
R7,,R13 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..3,,9k
Ω
Ω
R11 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1M
Ω
R12 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..47k
Ω
R14 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..6,,8k
Ω
PR miiniiatturrowy
Tm1,,Tm2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..22k
Ω
tterrmiisttorr
Kondensatory
C1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..10µF//16V
C2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..470µF//25V
C3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..68nF
C4 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100nF
Półprzewodniki
D1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..1N4001
L1−L10 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LED ((3mm czzerrw..))
U1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LM7812
U2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..TL084
U3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..LM3915
Inne
RH1 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..czzujjniik HP15S
w temperatu−
rze +25
o
C. Obliczmy rezystancję dla tempe−
ratur +15
o
C oraz +35
o
C.
Dla 15
o
C czyli 288K:
R
15
= 22k
Ω
e
(3700/288 – 3700/298)
R
15
= 22kΩ e
(12,848 – 12,416)
R
15
= 22kΩ e
0,43111
R
15
= 22k
Ω
*
1,539
R
15
= 33,86k
Ω
Ω
Dla +35
o
C, czyli 308K:
R
35
= 22kΩ e
(3700/308 – 3700/298)
R
35
= 22k
Ω
e
(12,013 – 12,416)
Komplet podzespołów z płytką jest
dostępny w sieci handlowej AVT jako
kit szkolny AVT−2607
e
−0,40313
R
35
= 22kΩ *
0,66823
R
35
= 14,70kΩ
Ω
16
Elektronika dla Wszystkich
0,668
2
R3 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..680k
R10 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..220k
PR1,,PR2 .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..100k
Ω
R
35
= 22k
[ Pobierz całość w formacie PDF ]