Pojemnościowy detektor wilgotności powietrza

Rys. 1. Układ cyfrowego miernika pojemności

W czujnikach opornościowych korzysta się z zależnej od wilgotności rezystancji tworzyw albo tlenku glinu (Al₂O₃). Materiałem detekcyjnym w czujnikach pojemnościowych są poliestry lub inne polimery. Dokładnością, liniowością i szybkością pomiaru przewyższają one czujniki opornościowe. Czujniki te nie są jednak na tyle powtarzalne, żeby ich wymiana nie wymagała rekalibracji detektora. Jednym z takich czujników jest HCH-1000 firmy Honeywell, będący rodzajem kondensatora z poliimidowym dielektrykiem, który wykazuje pojemność proporcjonalną do wilgotności powietrza. Pomiar względnej wilgotności (%RH - relative humidity) sprowadza się do pomiaru tej pojemności.

Pojemność czujnika można mierzyć na dwa sposoby, za pośrednictwem ładowania i rozładowywania jego pojemności albo pomiaru częstotliwości rezonansowej. Pomiar czasu ładowania pojemności czujnika w obwodzie RC o znanej rezystancji pozwala na obliczenie pojemności, a zatem i wilgotności. Podobnie, pomiar częstotliwości obwodu rezonansowego LC o znanej indukcyjności.

Pomiary wilgotności za pomocą czujnika pojemnościowego

Rys. 2. Charakterystyka zależności pojemności od wilgotności czujnika HCH-1000 o czułości 0,6 pF/%RH

Technika pojemnościowych czujników pojemności rozwijała się początkowo w domenie dotykowych interfejsów użytkownika, dla której opracowano liczne sterowniki. Znajdują one zastosowanie także w innych dziedzinach. Na rysunku 1 przedstawiono sposób użycia czujnika pojemnościowego o wejściu analogowym. Jego pojemność C_M jest najpierw przetwarzana w wielkość cyfrową. System ten składa się z układu przełączania pojemności przedstawiającego C_M w formie równoważnej rezystancji R_r, programowalnego źródła prądowego Z_ri, kondensatora pośredniczącego C_p i dokładnego komparatora analogowego.

Z_ri ładuje C_p stałym prądem i_Z do momentu, gdy napięcie na tym kondensatorze przekroczy napięcie odniesienia U_ref, a komparator przerzuci wyjście w stan wysoki. Źródło Z_ri zostaje wtedy odłączone, a C_p rozładowuje się przez R_r do momentu, gdy komparator przerzuci wyjście w stan niski, rozpoczynając proces od nowa. Komparator generuje dzięki temu strumień impulsów, który można nazwać też strumieniem bitów, które są zliczane, a ich liczba zapisywana w pamięci. Rezystancję tę można zdefiniować zależnością R_r = 1/f_p·C_p, gdzie f_p jest stałą częstotliwością przełączania pojemności C_M.

Jeśli C_M wzrośnie pod wpływem dotknięcia palca lub wzrostu wilgotności, R_r obniży się. Wtedy C_p rozładowuje się w krótszym czasie, a wysoki stan komparatora trwa krócej. Oznacza to, że im jest wyższa pojemność C_M, tym wyższa jest częstotliwość impulsów wyjściowych komparatora, które są zliczane w ustalonym czasie. Zliczenia te (Z) są proporcjonalne do pojemności C_M.

Realizacja pojemnościowych pomiarów wilgotności

Rys. 3. Układ do wzorcowania pomiaru wilgotności za pomocą kondensatorów wzorcowych

Pojemność czujnika zazwyczaj jest proporcjonalna do wilgotności. Zależność pojemności od wilgotności przykładowego czujnika HCH-1000 jest pokazana na rysunku 2. Pojemność ta, jak widać, może zawierać się w zakresie od 270 pF do 380 pF. Pomiarów wilgotności można dokonywać na dwa sposoby, przez pomiar bezwzględny i przez pomiar względny. Wybór zależy od potrzeb i wymaganej dokładności pomiarów.

Technika pomiarów bezwzględnych polega na pomiarze pojemności użytego czujnika. Układ zilustrowany na rysunku 1 przetwarza tę pojemność w zliczenia:

Zliczenia Z można wykorzystać do obliczenia pojemności czujnika:

Dokładność określenia pojemności czujnika zależy od dokładności użytych w równaniu parametrów. Mogą one dla poszczególnych sensorów różnić się znacznie. Muszą więc zostać wykalibrowane w czasie produkcji. W razie szczególnej potrzeby natężenie prądu iZ można wyznaczyć przez pomiar spadku napięcia na znanym rezystorze. Jednak dokładność takiej kalibracji nie przekracza 10%. Dokładnej kalibracji czujnika można dokonać w komorze wilgotnościowej, jeśli dysponuje się dokładnym wzorcowym miernikiem wilgotności.

Jeśli przetwornik analogowo-cyfrowy w układzie nie jest dokładny i nie dysponuje się możliwością dokładnej kalibracji, wiarygodnych pomiarów wilgotności można dokonać metodą względną.

Technika pomiarów względnych

Rys. 4. Algorytm względnych pomiarów wilgotności

Przy względnych pomiarach pojemności czujnika wilgotności używa się dwóch kondensatorów wzorcowych, a uzyskane z ich pomocą zliczenia, wraz ze zliczeniami dla pojemności czujnika, są używane do obliczenia jego pojemności (rys. 3). Kondensatory wybiera się w taki sposób, aby ich pojemności obejmowały cały zakres pojemności czujnika. Rysunek 4 przedstawia sieć działań dla takiego pomiaru.

Pomiar zaczyna się od uzyskania osobno zliczeń Z₁, Z₂ i Z_M, odpowiadających pojemnościom tych kondensatorów, odpowiednio C₁ i C₂, oraz pojemności czujnika C_M. Jeśli zależność zliczeń od pojemności jest liniowa, to stosunek różnic zliczeń jest równy stosunkowi odpowiednich różnic pojemności:

z powyższego równania daje się obliczyć pojemność czujnika:

Zamiast znajomości parametrów tutaj potrzebna jest znajomość pojemności kondensatorów wzorcowych.

Pozostaje jeszcze przełożenie pojemności czujnika HCH-1000 na względną wilgotność powietrza, do czego jest niezbędna znajomość udostępnianych przez producenta jego parametrów lub dokonania jednopunktowej kalibracji i zapisania parametrów kalibracyjnych do nieulotnej pamięci.

Dokładność i stabilność kondensatorów

Pomiary muszą mieć punkt odniesienia. Użyte kondensatory wzorcowe nie mogą być wrażliwe na warunki otoczenia. Do tego zastosowania godne polecenia są kondensatory polipropylenowe. Ich dokładność nie powinna być gorsza niż 1%. Podczas pomiaru powinny one zostać umieszczone możliwie najbliżej chipu, aby uniknąć interferencji z obcymi sygnałami, a pojemności montażowe i ścieżek były możliwie małe.

Liniowość układu detekcyjnego

Rys. 5. Konstrukcja typowego sensora wilgotności

Przy obliczaniu pojemności czujnika zakłada się, że układ jest liniowy w całym zakresie pomiarowym, ale przy wyższych pojemnościach, rzędu 300 pF, sensory mogą one nie być liniowe. Liniowość systemu zależy także od dokładności kondensatorów wzorcowych i od liczby punktów kalibracji. Układy takie działają dobrze przy niższych pojemnościach, ich liniowość jest zatem lepsza w zakresie małych wilgotności, a pogarsza się przy wyższych, nie mogą więc być używane do pomiarów wilgotności w całym zakresie, od 0 do 100% i to jest ich wadą.

Układy o niewysokiej dokładności mogą być kalibrowane na najbardziej potrzebny zakres. Wilgotnościomierze nadają się do domowego użytku, monitorowania pogody czy klimatyzacji, gdy na przykład przy zbytnim wzroście wilgotności powinien być włączany system osuszający. Czujniki wilgotności wchodzą w skład takich urządzeń, jak chłodziarki, suszarki, klimatyzatory itp. Również realizacje interfejsów użytkownika wymagają czujników pojemnościowych.

KKP