Журнал "Новости Электроники", номер 5, 2008 годНовые емкостные датчики влажности
Андрей Еманов (КОМПЭЛ)Представляем новую серию емкостных датчиков влажности HCH-1000 компании Honeywell. Использование этой серии дает разработчику дополнительную гибкость в проектировании устройств контроля относительной влажности в помещениях и в различных технологических процессах, и вместе с тем позволяет снизить стоимость конечного измерительного изделия.
Новая серия датчиков влажности HCH-1000 отличается от ранее предлагаемых датчиков прежде всего функциональной простотой. Это, по сути, двухвыводной преобразователь относительной влажности в емкость (рис. 1).
Рис. 1. Новые емкостные датчики компании Honeywell серии HCH-1000
Емкостные датчики влажности в настоящее время получили наибольшее распространение в индустриальной, метеорологической и бытовой аппаратуре, благодаря ряду преимуществ перед резистивными и термическими датчиками. Такие датчики производятся, соответственно, по емкостной технологии, которая обеспечивает максимальную температурную и долговременную стабильность параметров, высокую чувствительность, низкий гистерезис и время отклика, а также полное восстановление характеристики после воздействия конденсата. Вместе с этим, благодаря использованию при производстве «поставленных на поток» современных микроэлектронных технологий, датчики имею очень низкую стоимость.
Новые датчики HCH-1000 состоят из перфорированного верхнего электрода, полиимидного диэлектрического слоя, нижнего сплошного электрода и электрических выводов. Вся конструкция смонтирована на стеклянной подложке и образует конденсатор. Пары влаги, адсорбирующиеся в полиимидном слое, меняют его диэлектрическую проницаемость, что влечет за собой изменение емкости. Изменение величины диэлектрической проницаемости от накопленной в диэлектрике влаги практически линейно. Соответственно близка к линейной и характеристика емкость-влажность (рис. 2.).
Рис. 2. Типовая характеристика преобразования датчика HCH-1000 (а) и рабочая область (б)
На данный момент доступны две модели датчиков HCH-1000-001 и HCH-1000-002. Вторая отличается от первой лишь наличием пластикового чехла, защищающего ее от пыли и грязи (рис. 3).
Рис. 3. Конструктивное исполнение датчиков серии HCH-1000
Основные технические характеристики датчиков HCH-1000 приведены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики HCH-1000 при t = 25°C, Uвх = 1,0 В, F = 1 кГц| Параметр | Мин. | Тип. | Макс. | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| Нормальная емкость, пФ | 310 | 330 | 350 | при 55%RH |
| Чувствительность, пФ/%RH | 0,55 | 0,6 | 0,65 | 10%RH...95%RH |
| Гистерезис по влажности, %RH | - | ±2,0 | - | - |
| Нелинейность, %RH | - | ±2,0 | - | - |
| Время отклика, сек | - | 15 | - | 30%RH...90%RH |
| Температурный коэффициент, пФ/°С | 0,15 | 0,16 | 0,17 | 5°С...70°С |
| Долговременная стабильность, %RH/год | - | 0,2 | - | - |
| Диапазон рабочих температур, °С | -40 | - | 120 | - |
| Диапазон измерения влажности, %RH | 0 | - | 100 | - |
| Частотный диапазон, кГц | 1,0 | - | 100 | - |
Характеристика преобразования датчика HCH-1000 определяется следующей формулой:
где
- S - чувствительность (пФ/%RH),
- СC - расчетная емкость датчика, соответствующая измеряемой влажности,
- CS(55%RH) - нормальная емкость датчика при 55%RH,
- %RH(CM) - измеряемая влажность,
- %RH(CS)] - стандартная влажность.
Величина измеряемой относительной влажности в процентах вычисляется по формуле:
Измеряя величину CM(%RH), получаем значение относительной влажности.
На практике измерение емкости производится за счет подачи сигнала возбуждения на электроды датчика. Изменение емкости датчика преобразуется в изменение напряжения, тока, частоты или ширины импульсов. Существует несколько типичных методов измерения емкости.
Первый, или «прямой», метод подразумевает заряд конденсатора от источника тока в течение определенного времени и затем измерение напряжения на конденсаторе. Этот метод требует наличия прецизионного источника очень маленького тока и высокоимпедансного входа измерения напряжения.
Второй метод подразумевает использование измеряемой емкости в качестве времязадающей цепочки RC-генераторе с последующим измерением постоянной времени, частоты или периода. Этот метод прост (рис. 4), но обычно не обеспечивает высокой точности.
Рис. 4. Простой преобразователь емкость-напряжение на основе популярного таймера TLC555
Третий метод заключается в измерении импеданса конденсатора на переменном токе. Источник синусоидального сигнала подключается к конденсатору, и при этом измеряются напряжение и ток через конденсатор. Однако такая схема очень сложна и состоит из многих компонентов.
Четвертый, наиболее распространенный, метод измерения емкости прецизионного датчика с малой величиной емкости заключается в применении зарядового усилителя, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения. Такая схема поставляется в виде специализированных микросхем и подходит для некоторых систем при больших объемах производства.
Во всех описанных методиках емкость сначала преобразуется в напряжение, которое затем преобразуется в цифровой код при помощи прецизионного аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
| Ваш комментарий к статье | ||||
