LABORATORIUM MIERNICTWA KOMPUTEROWEGO

Ćwiczenie nr 9

Pomiar wilgotności czujnikiem SENSIRION SHT71

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z czujnikiem firmy SENSIRION SHT71.

2. Wilgotność

Wilgotność powietrza, gazów i ciał stałych (litych i sypkich) jest często mierzoną wielkością fizyczną. Wilgotność charakteryzuje jakość materiałów, przebieg procesów technologicznych i biologicznych, środowisko i jego wpływ na starzenie się produktów (np. spożywczych) i materiałów. Jest kilka zasad pomiaru wilgotności. W tym opracowaniu ograniczono się do pojemnościowych metod pomiaru wilgotności gazów.

Wilgotność bezwzględna (absolute humidity) - jest to masa m. pary wodnej przypadająca na jednostkę objętości V:

Wilgotność bezwzględna wyrażana jest w gramach na m³_.

Wilgotność względna (relative humidity RH) - jest stosunkiem ciśnienia pary wodnej w danej temperaturze do ciśnienia nasyconej pary wodnej w tej temperaturze

gdzie: P_w - ciśnienie pary wodnej nienasyconej

P_s - ciśnienie pary nasyconej

RH wyrażane jest w procentach.

Wilgotność względna jest zdefiniowana stosunkiem ciśnienia cząstkowych pary wodnej zawartej w gazie: ciśnienie pary w danych warunkach P, T i ciśnienie pary w stanie nasycenia w tych samych warunkach. Stan nasycenia, nazywamy punktem rosy, w którym nadmiar pary ulega skropleniu, oznacza wilgotność względna 100%

Miarą wilgotności gazu o temperaturze T może być punkt rosy, tzn. temperatura T_r gazu, w której wilgotność względna gazu wynosi 100%.

3. Czujniki

1. Czujniki pomiarowe wilgotność

Do pomiaru wilgotności gazu są m.in. stosowane czujniki pojemnościowe. Dielektrykiem między okładkami kondensatora jest specjalna masa plastyczna, która adsorbuje parę wodną w stopniu zależnym od wilgotności gazu. Pojawienie się w dielektryku wody o stałej dielektrycznej ε = 80 wpływa na pojemność kondensatora. Czujnik ma kształt płytki z odpowiednio mocowanymi wyprowadzeniami (rys. 1). Są wykonywane czujniki zintegrowane z układem elektronicznym. Wielkość wyjściową czujnika zintegrowanego

Rysunek 1. Przykładowa konstrukcja czujników wilgotności

jest najczęściej sygnał fali prostokątnej o stałej częstotliwości i zmiennym stopniu wypełnienia impulsu. Taki sygnał wyjściowy ma tę właściwość, że wartość średnia jest proporcjonalna do wilgotności. Wyjściowym może być także sygnał częstotliwościowy, który w układach cyfrowych jest łatwy do zmierzenia i przetworzenia wyniku do wymaganych jednostek miary. Istotną wielkością wpływającą na temperaturę gazu, od której zależy zdolność adsorpcji wody w dielektryku. Dlatego zwykle równocześnie mierzy się temperaturę, by skorygować wynik pomiaru jak to ma miejsce w czujniku SHT 71 firmy Sensirion.

Do wzorcowania wilgotnościomierzy gazu stosuje się punkty stałe. Są to sole rozpuszczone w wodzie, mające taką właściwość, że w atmosferze ponad roztworem istnieje ściśle określona wilgotność w szerokim zakresie temperatury. Niezbędne jest zachowanie pewnych proporcji objętości elektrolitu i naczynia oraz odczekanie do ustalenia się stanu równowagi między cieczą a gazem.

2. Czujniki wilgotności względnej i temperatury SHT71

SHTxx jest pojedynczym układem scalonym, który wyznacza wilgotność względną i temperaturę w pełni skalibrowanym cyfrowym wyjściu. Urządzenia zawiera pojemnościowy polimer wyczuwający wilgotność względną i czujnik temperatury. STH 71 jest wyposażony również w 14 bitowy przetwornika analogowo - cyfrowego (rys. 2) i interfejsu szeregowego. Rezultatem tego jest wyższa jakość sygnału, szybki czas reakcji oraz nieczułość na zewnętrzne zakłócenia (EMC). Każdy czujnik STHxx jest indywidualnie kalibrowany zgodnie z międzynarodowymi standardami. Współczynniki kalibrowania są zapisane w pamięci znajdującej się wewnątrz czujnika (Rys. 2). Współczynniki te są użyte podczas pomiaru, by skalibrować sygnał z czujnika. Dwa wyprowadzenia interfejsu szeregowego i wewnętrzna regulacja napięcia pozwalają na łatwą i szybką systemową integrację. Mała wielkość i niski pobór energii stanowią doskonały wybór dla wymagających aplikacji. Do zalet możemy jeszcze zaliczyć doskonała stabilność długookresowa oraz pomiar punktu rosy. Urządzenie jest dostarczane do zewnętrznego montażu LCC (leadless Chip Carrier) albo jako układ z czterema wyprowadzeniami do montażu. Czujniki mają wielostronne zastosowanie w takich dziedzinach jak: dobra konsumenckie, stacje meteorologiczne, nawilżacze, odwilżacze, testy i pomiary, rejestracja danych, automatyzacja, medycyna itd.

Rysunek 2. Budowa blokowa SHT71

Rysunek 3. Schemat podłączenia czujnika SHT71 z mikrokontrolerem

SHTxx może być zasilany napięciem od 2.4 do 5.5V. W ćwiczeniu napięcie to wynosi 5V. Po włączeniu urządzenie potrzebuje 11 ms czasu, aby osiągnąć stan uśpienia. Żadne rozkazy nie powinny zostać wysłane przed tym czasem. Zasilanie (VDD, GND) może być połączone z kondensatorem 100 nF.

3. Interfejs szeregowy (dwukierunkowa transmisja)

Szeregowy interfejs SHT71 jest zoptymalizowany pod kątem transmisji danych z czujnika i poboru energii. Transmisja nie jest kompatybilna z interfejsem I²C. Wyjście zegara (SCK) jest użyte, by zsynchronizować komunikację między mikrokontrolerem i czujnikiem SHT71. Linia DATA jest użyta do transmisji danych z i do czujnika. Linia DATA zmienia się gdy dochodzi do zmiany zbocza sygnału (DATA może przyjmować stan wysoki lub niski). Podczas transmisji linia DATA musi pozostać stała, kiedy linia SCK ma stan wysoki. Zewnętrzny opornik (np. 10kΩ) jest potrzebny do podciągnięcia sygnału do stanu wysokiego (rys.3). Opornik jest włączony do obwodu I/O czujnika.

• Wysyłanie rozkazu

Aby zainicjować transmisje (rys. 5) musi zostać wyemitowana poniższa sekwencja bitowa. Linia DATA przyjmuje stan niski, kiedy SCK ma stan wysoki, mając za sobą niski stan na SCK i podnosząc linię DATA do stanu wysokiego ponownie, kiedy SCK ma stan wysoki.

Rysunek 4. Sekwencja inicjalizująca start transmisji

Dalszy rozkaz składa się z trzech bitów adresu i pięciu bitów rozkazu. SHT71 wskazuje właściwą odbiór rozkazu przez podciągającego DATA do stanu niskiego (bit ACK) po opadającym zboczu ósmego taktu zegara SCK. Linia DATA przyjmuje stan wysoki po wystąpieniu dziewiątego taktu zegara SCK.

Tabela 1. Lista rozkazów

Rozkaz	Kod
Zarezerwowane	0000x
Pomiar temperatury	00011
Pomiar wilgotności	00101
Czytanie z rejestru stanu	00111
Zapis do rejestru stanu	00110
Zarezerwowane	0101x - 1110x
Soft reset, reset interfejsu, wyczyszczenie zawartości rejestru stanu który przyjmuje wartość domyśla	11110

4. Sekwencje pomiaru (wilgotności względnej i temperatury)

Po wyemitowaniu rozkazu (00000101 dla wilgotności, 00000011 dla temperatury tabela.3.1) mikrokontroler musi czekać na koniec pomiaru. To zajmuje w przybliżeniu 55/210ms dla 12/14 bitów pomiaru. Dokładny czas zmienia się z ±15% szybkością wewnętrznego oscylatora. Aby zasygnalizować zakończenie pomiaru, SHT71 ściąga w duł linię DATA.. Mikrokontroler musi uznać każdy bajt przez pociągnięcie linii DATA w duł.. Najbardziej znaczące bity mierzonej wielkości są przesyłane jako pierwsze MSB (np. 5 takt SCK jest MSB, ponieważ 12 bitów wartości) zobacz (rys.3.5).

Rysunek 5. Ogólna postać sekwencji pomiarowej (TS start transmisji)

Komunikacja kończy się po przesłaniu bitu potwierdzenia (ack) z CRC (rys.3.4). Jeśli CRC - 8 sum kontrolnych nie jest użyta, mikrokontroler może skończyć komunikację po pomiarze najmniej znaczących bitu LSB przez podtrzymanie stanu wysokiego. Urządzenie automatycznie powraca do trybu uśpienia, gdy pomiar i komunikacja skończy się.

Rysunek 6. Transmisja danych pomiędzy czujnikiem a mikrokontrolerem

5. Uruchomienie sekwencji resetującej

Jeśli komunikacja z urządzeniem będzie przerwana to zostanie wyzerowany interfejs szeregowy. Urządzenie można wyzerować poprzez wysłanie poniższej sekwencji (linia DATA przyjmie stan wysoki a linia SCK będzie zmieniała swój stan 9 albo więcej razy. Następnie musi zostać zainicjowany „start transmisji” (rys. 5) sekwencja poprzedzająca następy rozkaz. Ta sekwencja resetuje tylko interfejs (rys. 6). Rejestr stanów zachowuje swoją zawartość.

Rysunek 7. Sekwencja resetująca

4. Przetworzenie sygnału wyjściowego do wielkości fizycznej

1. Wilgotność względna

Aby skompensować nie liniowy charakter pomiaru wilgotności oraz utrzymać pełną dokładność mierzonej wilgotności zalecana jest konwersja odczytu za pomocą wzoru:

RH_lin=C₁+C₂*SO_RH+C₃*SO_RH²

gdzie :

SO_RH - oznacza wartość odczytaną z przetwornika (12 bit)

W tabeli 2, zostały umieszczone stałe kalibracyjne czujnika wilgotności względnej. Ważną cecha czujnika SHT71 jest, że pomiar wilgotności nie zależy od napięcia co możemy zobaczyć na rysunku 9.

Tabela 2. Współczynniki konwersji wilgotności

Wilgotność względna [%]
		SORH odczyt z czujnika (12 bit)

Rysunek 9. Konwersja z SO_RH to wilgotności względnej

1. Konwersja wilgotności względnej w funkcji temperatury

Dla temperatur znacząco różnych od 25 ° C (~ 77 ° F) współczynnik temperaturowy czujnika wilgotności względnej powinien zostać rozważony:

Rh_true=(To_C-25)*(t₁+t₂*SO_RH)+RH_lin

Tabela 3.Współczynniki konwersji temperatury

SORH	t1	t2
12 bit	0.01	0.00008

2. Temperatura

W przypadku temperatury uzyskuje się liniowy charakter przetwarzania. Używając wzoru jesteśmy wstanie wyznaczyć temperaturę:

Temperatura = d₁+d₂*SO_T

Tabela 4. Współczynniki konwersi temperatury

VDD	d1[^oC]	d1 [^of]
5V	-40.00	-40.00
4V	-39.75	-39.50
3.5V	-39.66	-39.35
3V	-39.60	-39.28
2.5V	-39.55	-39.23

3. Punkt rosy

Temperatura i wilgotność jest mierzona tym samym układem scalonym, co umożliwia wyznaczenie punktu rosy według poniższej formuły:

(1)

(2)

Podstawiając równanie (1) do równania (2) otrzymujemy punkt rosy.

Przykład :

RH=10% T=25^oC -> EW= 23.7465 -> Punkt rosy = -8.69°C

RH=90% T=50^oC -> EW= 92.4753 -> Punkt rosy = 47.89°C

5. Program

Do obsługi czujnika służy program wilg.vi, który dokonuje równoczesnych pomiarów temperatury i wilgotności. Program także zapisuje dane do pliku.

Program znajduje się na dysku D: w katalogu

D:\Eurolab\

6. Aparatura pomiarowa:

• kaseta EURO z zasilaczem,

• sterownik Eurodriver

• czujnik SHT71 SENSIRION z kablem.

Pomiar:

• po uruchomieniu programu pomiarowego dokonać pomiaru wilgotności w laboratorium. Należy odczekać aż wskazania ustabilizują się.

• włożyć czujnik do zamkniętego naczynia z nasyconą parą wodną. Dokonać wielokrotnego pomiaru wilgotności i temperatury w celu wyznaczenia charakterystyki (kierunek zmian - wilgotność pomieszczenia -> para nasycona). Pomiar dokonywać w stałych odstępach czasu do momentu ustabilizowania się odczytu.

• wyjąć czujnik z naczynia. Dokonać wielokrotnego pomiaru w celu wyznaczenia charakterystyki opadającej (kierunek zmian - para nasycona -> wilgotność otoczenia).

• dokonać korekcji wilgotności w funkcji temperatury.

SORH	C1	C2	C3
12 bit	-4	0.0405	-2.8*10^-6

SOT	d2[^oC]	d2 [^of]
14 bit	0.01	0.018

---