Pomiary temperatury i wilgotności termohigrometrem współpracującym ze złączem Game Port komputera PC.

O	T	P		E
0	0	0		0
1	1	1		1
2	2	2		2
3	3	3		3
:

Wykonał: Wykładowca:

Krzysztof Wągrodzki prof. Anna Cysewska

grupa T4

1. Wprowadzenie

1. Wybór czujnika temperatury współpracującego z układem.

Aby umożliwić prosty, bezpośredni pomiar temperatury czujnikami rezystancyjnymi wybrałem wśród wielu dostępnych rezystancyjnych czujników temperatury termistor - przyrząd tani i o wystarczających parametrach. Wykorzystałem termistor o ujemnej charakterystyce temperaturowej (NTC) i stosunkowo dużej rezystancji początkowej (100kΩ w 25°C) i współczynniku B = 4500. Zależność rezystancji r od temperatury t dla termistora w skali Celsjusza wynosi:

2. Wybór czujnika wilgotności.

Wilgotnością względną powietrza (RH) nazywamy stosunek ciśnienia cząstkowego (p₁) pary wodnej do ciśnienia nasycenia (p₂) przy temperaturze odpowiadającej pierwszemu stanowi:

- opisowo - maksymalną zdolność powietrza do absorpcji wody w danej temperaturze. Może się ona zmieniać od wartości 0% (całkowita suchość) do wartości 100% (punkt początku skraplania się wilgoci) i jest to stała wartość w danej temperaturze i ciśnieniu. Jedną z najważniejszych metod pomiarowych wilgotności powietrza jest pomiar temperatury punktu rosy (skraplania nadmiaru wilgoci w postaci mgły, rosy lub szronu). Popularne dostępne pokojowe higrometry włosowe zapewniają pomiar wilgotności względnej z maksymalną dokładnością +/-3% przy słabej stabilności czasowej i temperaturowej.

Najczęściej stosowane elektryczne metody pomiaru wilgotności opierają się na określeniu wartości zmian stałej dielektrycznej pewnych materiałów, dla których istnieje wyraźnie zdeterminowany wpływ wilgotności w szerokim jej zakresie (higrometry pojemnościowe). Wynik tych zmian - różnica wartości pojemności czujnika - jest wielkością stosunkowo łatwo mierzalną, choć zmiany pojemności spotykanych czujników są rzędu 1pF na 1% zmian wilgotności. Bardzo ważnym parametrem dla czujnika jest jego stabilność długoczasowa pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia.

1. Polimidowy czujnik wilgotności RH25.

RH25 to pojemnościowy czujnik wilgotności względnej, mierzący w zakresie 10...90%. Zbudowany jest on z nieprzewodzącej folii polimidowej pokrytej z dwóch stron warstwą złoconej stali i dociśniętej sprężynkami. Stała dielektryczna folii zmienia się w funkcji wilgotności względnej otaczającej atmosfery. Wartość pojemności czujnika jest proporcjonalna do zmian wilgotności względnej.

Podstawowe parametry techniczne czujnika RH25:

• zakres pomiarowy wilgotności względnej (RH): 10...90%,

• pojemność: 900 pF +/- 15% przy wilgotności względnej 55% w temperaturze 25°C i częstotliwości pracy 10 kHz,

• czułość 1,8 pF / % z tolerancją 0,4 pF w zakresie wilgotności względnej wynoszącej 22...75%

• czas odpowiedzi (osiągnięcie 0,9 wartości ustalonej w temperaturze 25°C, <3 min. w zakresie zmian wilgotności od 45% do 90% lub < 5 min. w zakresie zmian wilgotności od 90% do 45% przy wymuszonym przepływie powietrza.

Pojemnościowe czujniki wilgotności należy podłączać bardzo krótkimi kablami, gdyż zmiany pojemności kabla w wyniku zawilgocenia lub zginania całkowicie zakłóciłyby możliwości pomiarowe czujnika.

2. 
   Układ pomiarowy.

R2, R3, R4 - tolerancja
1%

C4 - kondensator NPO lub KSF

Pomiar czasu (T) z generatora monostabilnego o wartości 1,1⋅R⋅C gdzie R to wartość rezystancji czujnika (termistora) i wewnętrznej rezystancji na porcie (R_WGP) wynoszącej 2,2 kΩ oraz rezystora R2 51 kΩ, zaś C to typowa dla Game Portu wartość wynosząca 10 nF - służy wyznaczeniu rezystancji termistora:

Następnie temperaturę t wyznaczamy ze wzoru opisującego rezystancję termistora w funkcji temperatury względnej:

Dla pomiaru wilgotności wykorzystuje się najpierw pomiar częstotliwości f poprzez zliczanie impulsów w dokładnie określonym przedziale czasu. Następnie wylicza się pojemność odpowiadającą tak zmierzonej częstotliwości, przekształcając wzór na częstotliwość generacji układu 555 :

Wartość ta jest pojemnością czujnika przy zmierzonej wilgotności RH. Dalej wyliczamy RH:

korzystając ze stałych charakterystycznych dla czujnika - 801 pF (C_RH) to przeciętna pojemność czujnika dla RH = 0% (uwaga: dopuszczalna odchyłka 680....920 pF), a 1,8 pF to czułość na 1% RH.

3. Pomiary i obliczenia.

Do wyznaczeniu błędów pomiarów zastosowałem metodę przyrostów.

1. Temperatura.

Wartości błędów poszczególnych elementów przedstawiały się następująco:

Element	Błąd względny
RWGP	0,05
R2	0,01
C	0,05

1. Błąd bezwzględny (ΔR) i względny (δR) rezystancji termistora wynosi zatem:

Po podstawieniu wartości otrzymujemy:

2. Błąd bezwzględny (Δt) i względny (δt) temperatury wynosi:

2. Wilgotność.

Wartości błędów bezwzględnych rezystorów R3 i R4 wynoszą 0,01. A błąd pomiaru częstotliwości f możemy pominąć z uwagi na bardzo dużą dokładność.

1. Błąd bezwzględny (ΔC) i względny (δC) pojemności czujnika w danej wilgotności wynosi zatem:

2. Błąd bezwzględny (ΔRH) i względny (δRH) wilgotności wynosi:

3. Tabela pomiarowa.

1. Temperatura.

Lp.	T[s]	R[Ω]	ΔR[Ω]	δR	t[°C]	Δt[°C]	δt
	0,002	128618	-9280	0,265	20,16	-4,42	-0,015
	0,0019	119527	-8847	0,246	21,57	-4,18	-0,014
	0,002	128618	-9280	0,265	20,16	-4,42	-0,015
	0,0018	110436	-8414	0,228	23,1	-3,95	-0,013
	0,0019	119527	-8847	0,246	21,57	-4,18	-0,014
	0,0019	119527	-8847	0,246	21,57	-4,18	-0,014
	0,0018	110436	-8414	0,228	23,1	-3,95	-0,013
	0,002	128618	-9280	0,265	20,16	-4,42	-0,015
	0,0019	119527	-8847	0,246	21,57	-4,18	-0,014
	0,0018	110436	-8414	0,228	23,1	-3,95	-0,013
				tśr:	21,6	δtśr:	-0,014

Wynik pomiaru: t = (21,6 ± 0,3)°C

Wynik ten odpowiada wskazaniom termometru wzorcowego (wskazana temperatura wyniosła 21,4°C).

1. Wilgotność.

Lp.	f[Hz]	C[pF]	ΔC[pF]	δC[⋅10^-3]	RH[%]	ΔRH[%]	δRH
	1680	917	-9	-9,9	64,4	-7,4	-0,12
	1670	922	-9	-9,9	67,4	-4,4	-0,07
	1676	919	-9	-9,9	65,6	-6,2	-0,09
	1678	918	-9	-9,9	65,0	-6,8	-0,11
	1679	917	-9	-9,9	64,7	-7,1	-0,11
	1675	920	-9	-9,9	65,9	-5,9	-0,09
	1676	919	-9	-9,9	65,6	-6,2	-0,09
	1677	919	-9	-9,9	65,3	-6,5	-0,10
	1678	918	-9	-9,9	65,0	-6,8	-0,11
	1678	918	-9	-9,9	65,0	-6,8	-0,11
				RHśr:	65,4	δRHśr:	-0,1

Wynik pomiaru: RH = (65,4 ± 6,5)%

Jednakowy błąd bezwzględny i względny wartości kondensatora C wynika z przybliżenia. Nie miało sensu podawanie części dziesiątych w błędzie bezwzględnym ponieważ byłyby to dziesiąte części pF , które nie mają wpływu na pomiary.

1

---