Projekt układu wilgotnościomierza

Wykonał : Konsultant :

Wnuk Marek IV EZ prof.. dr hab. inż. Adam Kowalczyk

1.CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA WILGOTNOŚCIOMIERZY

Wilgotność powietrza (i innych gazów) oraz cieczy (np. paliw) i ciał sypkich (głównie materia­łów budowlanych i artykułów spożywczych) ma także duże znaczenie w procesach prze­mysłowych i przetwórczych: dlatego potrzeb­ne jest jej ilościowe określenie. Pomiaru moż­na dokonywać różnymi metodami, stosując różne układy pomiarowe.

Czujniki wilgotności stosuje się między innymi:

• w komercyjnych układach pomiaru wilgot­ności - elektronicznych higrometrach,

• w systemach kondycjonowania powietrza, klimatyzatorach, nawilżaczach powietrza,

• w układach nadzorczych wilgotności (prze­chowalniach, magazynach, muzeach itp.).

Korzysta z nich wiele dziedzin, jak

• meteorologia,

• przemysł spożywczy i chemiczny,

• medycyna,

• rolnictwo.

Wśród stosowanych metod pomiarowych należy wymienić pomiary przez:

• obserwację obniżenia temperatury spowo­dowanej odparowaniem wody z nawilżonego ciała do otaczającego powietrza - bezpośredni i dość dokładny pomiar wilgotności względnej,

• zmianę parametrów elektrycznych lub me­chanicznych ciał stałych pod wpływem zmian wilgotności,

• oraz inne metody mające szczególne zna­czenie laboratoryjne ze względu a swą pra­cochłonność.

Najczęściej stosowane elektryczne metody pomiaru wilgotności wykorzystują zmianę war­tości stałej dielektrycznej pewnych materia­łów, dla których istnieje silnie zdeterminowany wpływ wilgotności w szerokim jej zakresie (hi­grometry pojemnościowe). Wynik tych zmian - różnica wartości pojemności czujnika - jest wielkością stosunkowo łatwo mierzoną, choć zmiany pojemności spotykanych czujników są około jednego pikofarada na 1% zmian wilgotności. Bardzo ważnym parametrem ta­kiego czujnika jest stabilność długoczasowa pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia. Jedną z najważniejszych metod pomiarowych wilgotności powietrza jest pomiar temperatu­ry punktu rosy (skraplania nadmiaru wilgoci w postaci mgły, rosy lub szronu).

Do pomiaru wilgotności gazu stosuje się między innymi czujniki pojemnościowe. Dielektrykiem miedzy okładkami kondensatora jest specjalna masa plastyczna, która adsorbuje parę wodną w stopniu zależnym od wilgotności gazu. Pojawienie się w dielektryku wody o stałej dielektrycznej e = 80 w stosunku do stałej dielektrycznej masy e = l wpływa na pojem­ność kondensatora. Zależność między wilgotnością względną a pojemnością kondensatora w tym przypadku jest następująca:

gdzie:
- wilgotność względna, C₀ - pojemność kondensatora dla zerowej wilgotności,

- współczynnik czułości na zmianę wilgotności. Typowe wykonanie czujnika wilgotności przed­stawiono na rys.2.

Rys.1. Typowe wykonanie pojemnościowego czujnika wilgotności

Zmiany pojemności można mierzyć bezpośrednio lub przetwarzać w inne wielkości fizyczne, jak napięcie stale (czujniki APRX) czy częstotliwość (rys.3). W tym przypadku stała dielektryczna materiału między okładkami kondensatora wpływa na zmianę częstotliwości oscylatora. Sygnał częstotliwościowy jest w układach cyfrowych łatwy do zmierzenia i przetworzenia do wymaganej postaci i miary.

Rys.2. Schemat układu do przetwarzania wilgotności na częstotliwość

Czujniki wykonuje się najczęściej w postaci zintegrowanej z elektronicznym układem przetwarzającym, Typową wielkością wyjściową z czujnika zintegrowanego jest zwykle sygnał fali prostokątnej o stałej częstotliwości i zmiennym, zależnym od wilgotności stopniem wypeł­nienia impulsów. Przykładową realizację takiego układu przedstawiono na rys.3.

Rys.3a. Układ z multiwibratorami do przetwarzania zmian pojemności czujnika wilgotności w fale prostokątna o zmiennym stopniu wypełnienia

Rys.3b. Zasada generowania impulsów różnicowych w układzie z rys.3a

Czas trwania impulsów t₁ z multiwibratora l jest proporcjonalny do C_a.

C_a to kondensator strojeniowy, który nastawia się na wartość C_a = C_o (C_a to składowa stałą pojemności czujnika wilgotności). Multiwibrator l synchronizuje multiwibrator 2, w którym czas trwania impulsów t₂ proporcjonalny do pojemności czujnika C_s= C_o+ΔC. Miedzy wyjściami l i 2 występują impulsy różnicowe o czasie trwania t₃=t₂-t₁ proporcjonalnym do ΔC, jeśli dla obu multiwibratorów dobierze się taki sam współczynnik proporcjonalności. Gdy okres drgań T napięć prostokątnych ustali się przykładowo na T=2t₁ wszystkie impulsy mają amplitudę U_D, to dla arytmetycznej wartości średniej napięcia wyjściowego U_o obowiązuje zależność:

czyli sygnał wyjściowy U_o ma tę właściwość, że wartość średnia jest proporcjonalna do zmiany pojemności, a pośrednio wilgotności. Na rys.3b pokazano, jak powstają impulsy różnicowe.

Istotną wielkością wpływającą na wynik pomiaru czujnikiem wilgotności jest tempera­tura gazu, od której zależy zdolność adsorpcji wody w dielektryku. Dlatego zwykle równocześnie mierzy się temperaturę, by skorygować wynik pomiaru. Czujnik temperatury powinien być umieszczony możliwie blisko czujnika wilgotności, dlatego montuje się go naj­częściej na tej samej płytce, co czujnik wilgotności, jak pokazano na rys.4.

Rys 4. Czujnik wilgotności ze zintegrowanym czujnikiem Pt 100 do korekcji wpływu temperatury

Wpływ temperatury na wynik pomiaru dla przykładowego czujnika przedstawia rys.5. Korekcji dokonuje się za pomocą zarejestrowanej charakterystyki (jak na rys.5 ) lub według zależności wyznaczonej doświadczalnie dla danego typu czujnika, np. jak poniżej:

gdzie: ϕ_s jest surowym wynikiem pomiaru, a T w ⁰C temperaturą, w jakiej dokonano pomiaru.

Do wzorcowania wilgotnościomierzy gazu stosuje się punkty stałe. Są to sole rozpuszczone w wodzie, mające taką właściwość, że w atmosferze nad roztworem istnieje ściśle określona wilgotność w szerokim zakresie temperatury. W odpowiednich tablicach podano właściwości zalecanych do wzorcowania punktów stałych. Niezbędne jest zachowanie pew­nych proporcji objętości elektrolitu i naczynia oraz odczekanie do ustalenia się stanu równo­wagi miedzy cieczą a gazem. Do sprawdzania wskazań wilgotnościomierzy są dostępne jako wzorce punkty stałe wykonane w postaci pojemnika, do którego wstawia się badany czujnik.

Rys.5. Charakterystyka wpływu temperatury na wynik pomiaru wilgotności czujnikiem pojemnościowym.

Pojemnik ma wkładkę z materiału włóknistego nasyconego roztworem soli. Dokładność takich wzorców jest jednak mniejsza.

2. PRZYKŁADOWE ROZWIĄZANIA POMIAROWE

Dostępne pokojowe higrometry włosowe wy­znaczają wilgotność względną maksymalną dokładnością ±3% przy słabej stabilności cza­sowej i cieplnej.

Do wzorcowania budowa­nych higrometrów można wykorzystać porów­nanie z odpowiednio dokładnymi higrometra­mi, najlepiej kilkoma dla uśrednienia wyniku. Można także zbudować psychrometr - urzą­dzenie, które umożliwia stosunkowo dokładny pomiar wilgotności względnej. Trzeba jednak wiedzieć, że kalibracja jego jest procesem czasochłonnym, nawet przy założeniu dużej li­niowości badanego czujnika, gdyż stałe cza­sowe czujników i mierników są stosunkowo du­że, niełatwe jest także odpowiednie przygoto­wanie warunków pomiarowych - środowisk o różnym nasyceniu wilgoci stałym w czasie. Psychrometr składa się z dwóch termometrów umieszczonych w rurze, przez którą wy­musza się przepływ powietrza o badanej wilgotności (np. wentylatorem). Jeden z termome­trów (jego końcówka pomiarowa) powinien znajdować się w nasączonym wodą destylo­waną materiale higroskopijnym (np. wacie). Przepływające powietrze o badanej wilgotno­ści najpierw powinno opływać czujnik termo­metru suchego, a następnie mokrego.

Wilgotność względną RH dla temperatur do 50°C określa się ze wzoru:

RH = [p1 -a • (ts -tm) • pa/p2 • 100% w którym:

p1 - ciśnienie nasycenia pary wodnej w tem­peraturze termometru mokrego (tm), p2 - ciśnienie nasycenia pary wodnej w tem­peraturze termometru suchego (ts), pa - ciśnienie atmosferyczne podczas pomiaru, a stała psychrometryczna zależna od szyb­kości przepływu powietrza (s), wynosząca:

a=(65-6,75/s)Lo^-5/C Prędkość przepływu powietrza powinna wyno­sić ok. 2,5 m/s. Do określenia wartości ciśnień p1 i p2 można skorzystać z wykresu Molliera h-x lub tabel będących w wyposażeniu termohigrometrów.

PRZYPOMNIENIE

Wilgotność względna powietrza (RH - relative humidity), określana jako maksymal­na zdolność powietrza do absorbcji wody w danej temperaturze, jest to stosunek ciśnienia cząstkowego (p1) pary wodnej do ciśnienia nasycenia (p2) przy temperaturze odpowiadającej pierwszemu stanowi:

w=p1/p2•100% lub stosunek wilgotności bezwzględnej (w1) do maksymalnej wilgotności bezwzględnej (w2) w tej samej temperaturze

w= w1/w2-100% Wilgotność względna powietrza może się zmieniać od wartości 0% (całkowita su­chość) do wartości 100% (punkt początku skraplania się wilgoci) i jest to stała wartość w danej temperaturze i ciśnieniu.

Jeszcze łatwiejszy do wykonania, jednak o mniejszej dokładności, jest areometr składa­jący się, podobnie jak psychrometr, z dwóch termometrów, w tym jednego mokrego bez wymuszania przepływu powietrza. Wyznaczenie wartości wilgotności opiera się na różnicy temperatury między termometrem su­chym a mokrym.

Uproszczony wzór dla określenia wilgotności ma postać:

RH = a • (ts - tm) + b

gdzie:

ts - temperatura termometru suchego,

tm - temperatura termometru mokrego (war­tości w °C),

a = -(9,1 - ts• 0,05),

b=99+ts•0,005. Znani producenci dostępnych na rynku czujni­ków i układów przetwarzających, to m.in. firmy Lutron, KFAP, Philips i Smartec.

Rys. 6. Układ z czujnikiem SMTRH05 do nadzoru poziomu wilgotności z możliwością jej pomiaru

Polimerowy czujnik wilgotności SMTRH05 firmy-Smartec.

Jest to czujnik pojemnościowy do pomiaru wilgotności względnej w zakresie 0
100% wilgotności względnej powietrza (RH) (większość spotykanych czujników pracuje w zakresie 10
90%). Może on pracować w środowisku ak­tywnym chemicznie (np. w parach alkoholi). Budowa czujnika jest prosta, jest to bowiem dwukońcówkowy kondensator (o małych wy­miarach 7x13x0,2 mm), którego pojemność zwiększa się proporcjonalnie do ilości absor­bowanej wody do aktywnego polimerowego dielektryka. Odpowiednia wielowarstwowa bu­dowa (warstwa aktywna pokryta z zewnątrz warstwami ochronnymi przepuszczającymi wodę) zapewnia poprawne działanie podczas wstrząsów, zmian temperatury i ciśnienia oraz w środowisku agresywnym chemicznie. Naj­ważniejszą zaletą tego czujnika jest uniezależ­nienie jego działania od zmian od temperatu­ry i ciśnienia atmosferycznego. Wadą zaś, podobnie jak innych czujników tego typu, jest duża stała czasowa.

Podstawowe parametry

• zakres pomiarowy dla wilgotności względ­nej powietrza (RH): 0-100%,

• pojemność przy wilgotności względnej 0%; 300 pF,

• tolerancja wskazań (dokładność absolutna stała dla całego zakresu przetwarzania): 5%, po kalibracji wpływ tego parametru jest pomijalny),

• czułość przetwarzania: 0,7 pF/1% RH,

• liniowość w zakresie pomiarowym: 2%,

• temperatura pracy: -40
  110°C,

• pomijalnie mała wartość współczyn­nika cieplnego,

• czas odpowiedzi ustalonej przy wzro­ście wilgotności od 0% do 90%: 4 min,

• zalecana częstotliwość pracy w ukła­dzie przetwarzającym: 80-900 kHz,

• cena ok. $10.

2.a. Układ ostrzegający przed nadmiernym wzrostem lub spadkiem wilgotności.

Na rysunku 1 przedstawiono układ z czujnikiem SMTRH05 ostrzegający przed zmianami wilgotności, z ustawia­nym poziomem zadziałania. Generator zbudowany na układzie 555 wytwarza przebieg prostokątny o częstotliwości ok. 140 kHz (U1), którym jest wyzwala­ny przerzutnik monostabilny (U2 - 555) ze stałą czasową zależną od iloczynu RC, przy czym C to pojemność czujnika. Otrzymywany sypnął prostokątny o szerokości impulsów proporcjonalnej do C jest filtrowany dolnopasmowo i po buforowaniu kierowany do układu przerzutnika Schmitta. Po uprzednim wyskalowaniu może być także mierzony układem do po­miaru napięcia stałego (np. woltomierzem). Skalowania dokonujemy regulując potencjo­metrem P1 tak, aby otrzymać współczynnik przetwarzania (stosunek wilgotności względ­nej do napięcia wyjściowego) o wartości ok. 0.1. Układ przerzutnika ma regulowany potencjometrem P2 poziom reakcji progowej i mo­że sterować dowolnym członem wykonaw­czym: diodą LED, przekaźnikiem lub sygnalizatorem akustycznym.

2.b. Układy przetwarzające współpracujące z czujnikami pojemnościowymi

a.)

b.)

Rys. 7. Układ przetwarzający pojemność na liczbę impulsów

a - schemat uproszczony, b - przebiegi czasowe

Układ z regulacją czasu wyzwalania

Czujnik z pojemnością najczęściej przesądza o wykorzystaniu jej w przetwornikach opar­tych na układach generacyjnych. Ponieważ trudno byłoby projektować układ generujący zerową częstotliwość przy pewnej pojemności

- dla wilgotności 0% pojemność jest różna od zera (np. metody zdudnienia czy różnicy częstotliwości) - łatwiej jest wykorzystać układ prostego częstościomierza z możliwością sze­rokiej regulacji czasu bramkowania (lub na odwrót - stały jest czas bramkowania, regulo­wany zaś generator). Czas działania układu bramkowania dobieramy tak, by dla odpowie­dnio dobranej częstotliwości generatora, które­go działanie opiera się na zmianach pojemno­ści czujnika, zachodziły zależności:

- dla 0% wilgotności (co odpowiada pewnej mi­nimalnej pojemności C_min) czas bramkowania i częstotliwość pracy generatora przetwornika były tak dobrane, by licznik się przepełniał, np.; z wartości 999 na 1000, co odpowiada formalnie wartości 000 na trzech polach licznika,

-liniowe zmiany wielkości wejściowej, np. co 1 pF (1 % RH) powodowały wzrost czasu bram­kowania odpowiadający najlepiej dziesiętnej wartości, np. 1 lub 10 Hz.

Do budowy generatora można wykorzystać dowolny, dostatecznie stabilny generator sca­lony, a do budowy generatora wyzwalającego układ 555, w którym częstotliwość w funkcji pa­rametrów RC jest co prawda opisana dość złożonym (uwikłanym) wzorem, jednak czas trwania impulsu dodatniego (lub ujemnego) jest opisany zależnością wprost proporcjonal­ną (T ~ RC). Dodatkowo należy ustalić czasy odczytu rzędu 1 s, aby wynik byt możliwy do łatwej obserwacji.

Na rys. 7 przedstawiono przykład wykorzy­stania układu spełniającego takie założenia. Opisana zasada działania może być wyko­rzystana tak dla czujników o pojemnościowym, jak i rezystancyjnym charakterze. Pojem­ność C2 dobieramy tak, aby dla pojemności C1 odpowiadającej 0% wynik na liczniku wynosił 000 (tutaj formalnie 50 000), a wartość rezy­stancji potencjometru P1 tak, aby częstotli­wość generowana na bramce Schmitta 74132 dawała, przy pojemności C1 odpowiadającej wilgotności 100%, na liczniku wartość 100 (50100). Jako wskaźnik można wykorzystać 3-cyfrowy licznik zbudowany na układzie 7490 z dekoderami 7447 i odpowiednimi wyświetla­czami LED. Wejścia zerujące (2 i 3) układów 7490 powinny być sterowane sygnałem RST (Reset).

3. PROJEKT UKŁADU

Rys. 8. Układ z czujnikiem RH25 do pomiaru wilgotności

Układ do pomiaru wilgotności z czujnikiem RH25 przedstawiono na rys. 8. Układ U2 (ty­pu 555) przetwarzający pojemność czujnika C (proporcjonalną do RH) na długość impulsu jest sterowany generatorem (555), którego wyjście jest także doprowadzone do bramki B układu 4001, gdzie ustalana jest różnica czasu trwania (długości impulsu) obydwu im­pulsów, przetwarzana dalej po wyprostowaniu na napięcie stałe.

Docelowy współczynnik przetwarzania wynosi 1 mV/1% RH. Przetwarzanie jest skompenso­wane cieplnie za pomocą czujnika termistorowego R2 o charakterystyce typu PTC. Potencjometrem P1 regulujemy wartość po­czątku skali (zmiana offsetu) w zależności od dal­szego sposobu przetwarzania wyniku, a poten­cjometrem P2 wartość współczynnika przetwa­rzania. Rezystancja zastępcza elementu kom­pensacji temperaturowej w 25°C powinna wy­nosić ok. 120 kΩ i zmieniać się +0,4% na 1 ^oC.

Czujnik RH25

Czujnik RH25 (producent Lutron) to pojem­nościowy czujnik wilgotności względnej mierzą­cy w zakresie 10-90% RH. Zbudowany jest z nieprzewodzącej folii polimidowej pokrytej z dwóch stron warstwą złoconej stali, doci­śniętej sprężynkami. Stała dielektryczna folii zmienia się w funkcji wilgotności względnej otaczającej atmosfery, a więc i wartość po­jemności czujnika jest proporcjonalna do zmian wilgotności względnej.

Podstawowe parametry

• zakres pomiarowy wilgotności względnej (RH):

10-90%,

• zakres wilgotności względnej podczas przecho­wywania: 0
  95% w temperaturze 20
  75°C (czuj­nik nie powinien być zamaczany),

• pojemność: 900 pF z tolerancją 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 22
  75%,

• liniowość
  5% w temperaturze 23 ±5°C,

• histereza
  5% w temperaturze 23 ±5°C.

• zakres częstotliwości pracy układu przetwarza­jącego: 1
  20 kHz,

• maksymalne napięcie zasilania - stałe lub zmienne: 10 V,

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

• zależność cieplna: <0,4%/°C w temperaturze 23±5°C,

• temperatura pracy: 0+60°C,

• wymiary czujnika w obudowie plastykowej: ok. 11x16x6 mm,

• cena ok. $ 7.

4. LITERATURA

• Radioelektronika.

• Kostyrka K.; „Pomiary i regulacje wilgotności w pomieszczeniach”, Arkady, W-wa 1971.

• Fredon J.; „AIP Handbook of Modern Sensors”, AIP 1993.

14

Zanieczyszczenia

Polimerowa warstwa ochronna

Warstwa Pt

Warstwa dielektryczna

Palce drugiej elektrody

Ceramiczna podstawa

Oscylator

Częstościomierz

C

f

L

Multiwibrator 1

Multiwibrator 2

U₀

₂

₁

C_A

C₀+ΔC

U₁

U₂

U₀

t₁

t₂

t₃

_T

t

t

t

Ceramiczna podstawa

Czujnik Pt100

0

20

40

60

80

100

0,00

12,80

25,60

38,40

51,20

64,00

76,80

0,10

12,90

25,81

38,71

51,61

64,52

77,42

WSKAZANIA CZUJNIKA %

TEMPERATURA ⁰C

WILGOTNOŚĆ WZGLĘDNA %

15k

1k

270p

4

7

6

2

1

5

3

8

U₁

555

U₂

555

2k7

10M

100n

100n

1u

8

3

5

1

2

6

7

4

+12V

5k6

10k

100k

DZ 10V

+12V

+12V

C

2

4

3

8

1

A

LM358

P2

10k

510

5

6

7

wyjście ok. RH=V/10

10k

LM358

1N4001

LED

2k2

Przekaźnik

R=100

B

A

7 74132

14 74132

+5V

Fwy

D

11

13

12

8

C

B

10

9

P1

6

5

4

47k

2n2

wyzwalanie

RST

360

10n

B

3

74132

74132

74132

74132

2

1

A

+5V

ok. 35n

C=C₁+C₂

100n

RST

Fwy

C₁ RH

555

8

3

5

1

2

6

7

4

C₂

18M

Rb

18k

Ra

7 4001

14 4001

+5V

120k

RH

+5V

2k4

1n

4001

B

4001

A

10k

P1

680

ok. 6k

100n

10

9

8

4

U2

220

ok. 3k

8

4

6

5

3

1

2

A

+5V

1

2

6

10n

555

8

3

5

1

2

6

7

4

7

3

5

PTC 120k

68k

+5V

+5V

100n

Wyjście 1mv/1% RH

10k

P2

12k

220n

5k6

1N4148

555

U2

U1

4001

V

Uz

+

---