Histereza czujnika wilgotności: Definicja i zastosowanie
- Szczegóły
We współczesnych urządzeniach elektronicznych, czujniki są coraz częściej stosowane, aby na bieżąco informować o parametrach środowiskowych i technologicznych. Szeroka gama czujników pozwala realizować złożone funkcje pomiarowe.
Rodzaje i zasada działania czujników
Czujnikami nazywamy elementy zamieniające pewną wielkość fizyczną, chemiczną lub biologiczną na inną, zwykle na elektryczną. Istnieją czujniki aktywne (generacyjne), które pobierają energię z badanego środowiska i przetwarzają ją na wielkość wyjściową. Z kolei czujniki pasywne (parametryczne, modulacyjne) wymagają zewnętrznego zasilania do wytworzenia sygnału wyjściowego. Zamieniają mierzoną wielkość fizyczną na inną, np. na rezystancję, indukcyjność czy pojemność.
Inną klasyfikacją czujników jest materiał, z jakiego zostały wykonane i pośrednio związana z tym zasada działania. Zastosowanie krzemu jako materiału, z którego jest wykonany czujnik, nie narzuca zasady jego działania. Bardzo duża gama produktów jest wykonywana w oparciu o tę cechę. Inną, nie mniej przydatną właściwością krzemu, jest jego wrażliwość na światło.
Parametry czujników
Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje parametrów opisujących czujniki: statyczne i dynamiczne. Każdy z nich charakteryzuje zachowanie się czujnika w określonym stanie otoczenia.
Parametry statyczne odnoszą się do stabilnych warunków, w których wartość wielkości mierzonej jest niezmienna lub zmiany są na tyle wolne, że w czasie pomiaru nie wpływają na sygnał wyjściowy czujnika. Parametry statyczne są w ogólnym przypadku opisane wielomianem u=a1x+a2x2+a3x3+...anxn. Od stopnia tego wielomianu zależy liniowość charakterystyki. Dla projektanta najkorzystniejsze są oczywiście charakterystyki liniowe, gdyż odczytana z czujnika wartość może być po ewentualnym prostym skalowaniu (wymnożeniu przez stały współczynnik skalowania) wyświetlona jako wynik pomiaru.
Przeczytaj także: Działanie Czujnika Filtra Powietrza
W przypadku charakterystyk nieliniowych konieczna jest dodatkowa linearyzacja wyniku prowadzona w oparciu o znajomość współczynników wielomianu. Bardzo często dla usprawnienia obliczeń nieliniowe charakterystyki czujników są aproksymowane odcinkami liniowymi.
Wygoda użycia czujników liniowych bywa jednak tylko pozorna, gdyż występują w nich efekty, które muszą być uwzględniane w pomiarach. Chodzi o przesunięcie charakterystyki (offset), zmianę czułości, próg czułości i histerezę. O ile pierwszy efekt nie psuje liniowości, o tyle pozostałe mogą być już o to posądzone.
Znacznie gorzej jest z histerezą, która w znacznym stopniu delinearyzuje charakterystykę. Jeśli mierzone parametry zmieniają się w czasie porównywalnym, a nawet krótszym od czasu reakcji czujnika, konieczne jest rozpatrywanie parametrów dynamicznych.
Kluczowe parametry czujników:
- Czułość: Stosunek zmian wartości wyjściowej do wejściowej.
- Stała przetwarzania: Parametr ten jest odwrotnością czułości.
- Rozdzielczość: Jest to najmniejsza wykrywalna zmiana wartości wyjściowej czujnika.
- Dokładność: Jest to maksymalne odchylenie wartości mierzonej od rzeczywistej.
- Zakres: To różnica między minimalnym a maksymalnym sygnałem wejściowym, dla którego czujnik zwraca wiarygodną wartość wyjściową.
- Liniowość/nieliniowość: Określa, jak bardzo rzeczywista charakterystyka czujnika różni się od idealnej.
- Histereza: Wyniki pomiarów jakiejś wzrastającej wielkości dla narastającego sygnału wejściowego nie pokrywają się z pomiarami w przypadku, gdy kierunek zmian jest przeciwny (sygnał wejściowy maleje).
- Strefa nieczułości: W pewnym, zwykle dość wąskim zakresie zmian wielkości wejściowej czujnik nie odpowiada zmianami sygnału wyjściowego.
- Dryft: Stopień odchylenia wskazań czujnika przy stałym wymuszeniu, wywołany zmianami temperatury.
- Czas ustalania się wyniku: Czas, po którym czujnik wskaże na swoim wyjściu prawidłową wartość.
Czujniki wilgotności
Czujniki wilgotności są powszechnie stosowane w różnych dziedzinach, od domowych stacji meteo po przemysłowe systemy kontroli klimatu. Mierzą one zawartość pary wodnej w powietrzu, co jest istotne dla komfortu, zdrowia i bezpieczeństwa.
Tanie higrometry i czujniki często pokazują, co chcą, a po pewnym czasie ich wskazania nie mają prawie nic wspólnego z wilgotnością względną. Najczęściej są to pojemnościowe czujniki polimerowe. Warto przyjrzeć się ich kluczowym parametrom, w tym także specyfice i ograniczeniom.
Przeczytaj także: Diagnostyka wtyczki czujnika obudowy filtra powietrza
Optymalna wilgotność względna w mieszkaniu to 40…50%. Wartości 30…65% uznawane są za dobre, a przynajmniej akceptowalne. Wilgotność poniżej 30% nie jest wskazana dla organizmu i może wywoływać nieprzyjemne odczucia (suchość skóry i dróg oddechowych). Wilgotność powyżej 70% też nie jest dobra, zarówno dla organizmu człowieka, jak też dla przedmiotów znajdujących się w mieszkaniu.
Wilgotność względna a bezwzględna
Wilgotność względna (RH) to stosunek aktualnej zawartości pary wodnej w powietrzu do maksymalnej zawartości pary wodnej, jaką powietrze może pomieścić w danej temperaturze. Wilgotność bezwzględna (AH) to masa pary wodnej zawarta w jednostce objętości powietrza, wyrażana w gramach na metr sześcienny (g/m³).
Problem w tym, że maksymalna ilość pary wodnej w powietrzu zależy od temperatury. Czym niższa temperatura, tym mniej wilgoci może być zawarte w powietrzu. To znaczy, że wilgotność względna RH równa 100% nie odpowiada jednej konkretnej wartości wilgotności bezwzględnej AH wyrażanej w gramach na metr sześcienny!
Wilgotność 100% RH nazywana bywa wilgotnością nasycenia. Zgodnie z takim wyobrażeniem, „wilgotność nasycenia” (100% RH) rozumiana jest jako „stan nasycenia powietrza parą wodną”, gdy nie można rozpuścić więcej pary wodnej w powietrzu. Rzeczywiście, zawartość pary wodnej w powietrzu jest ograniczona, ale absolutnie nie wynika to z jakiegoś „rozpuszczania”.
Na rysunku 2 znajdziesz krzywe, pozwalające m.in. określić wilgotność absolutną, czyli zawartość wody w powietrzu przy różnej wilgotności względnej i w różnych temperaturach.
Przeczytaj także: Czujnik temperatury i wilgotności w internecie
Zmiana pojemności tak zbudowanego kondensatora przetwarzana jest przez układ elektroniczny, który oblicza wilgotność. W układzie pomiarowym, obok sensora wilgotności znajduje się sensor temperatury (najczęściej PT1000), który wykorzystywany jest do właściwego przeliczenia wilgotności, a także informuje użytkownika o temperaturze medium. Tak jak wspominaliśmy, wilgotność względna bez informacji o temperaturze nie jest kompletną informacją.
Powyższe czujniki, które przetwarzają wielkość fizyczną (wilgotność) na elektryczną (pojemność) wymagają układu pomiarowego, który zmierzy tę pojemność oraz układu przetwarzającego, który przeliczy pomiar na informację właściwą. Trzeba przy tym uwzględnić wszelkiego rodzaju kompensacje niekorzystnych czynników, nieliniowość układu, powtarzalność pomiaru, błędy itp.
Zdecydowanie prościej jest w przypadku sensorów cyfrowych, w których zaszyta elektronika pozwala nowemu, mniej doświadczonemu użytkownikowi, wykorzystać sensor. Nie musi on myśleć o przetwarzaniu pojemności tylko wykorzystuje układ mikroprocesorowy odpytujący sensor drogą cyfrową za pomocą protokołu I²C.
Zastosowanie czujników wilgotności w inkubatorach
W odróżnieniu od poprzedniej wersji w której ustawialiśmy zakres temperatury w nowej wersji w menu możemy nastawić temperaturę minimalną oraz histerezę na podstawie których urządzenie będzie dokonywało autoregulacji. Analogiczna procedura dotyczy wilgotności zadajemy wilgotność minimalną i histerezę dla niej, a urządzenie na podstawie pomiaru dokonuje załączenia lub wyłączenia nawilżacza.
Sterownik dokonuje pomiarów ciągłych temperatury oraz wilgotności panującej w komorze wylegania o czym informuje nas a wyświetlaczu LCD. W zależności od ustawionego zakresu temperatur, załącza i wyłącza ogrzewanie w postaci żarówki lub grzałki oraz załącza lub wyłącza nawilżacz w zależności od pomiaru wilgotności.
Sterownik pokazuje pomiar temperatury z czujnika, który spoczywa pomiędzy jajami do wylęgu oraz wilgotność powietrza. Zakresy temperatury i wilgotności są ustawiane przez użytkownika i zapisywane w pamięci nie ulotnej - oznacza to że po wyłączeniu napięcia lub chwilowym zaniku sterownik nie traci ustawień.
Kalibracja czujników wilgotności
Naciskając przycisk SET na tej opcji uzyskujemy możliwość ustawienia korekty wilgotności dla czujnika wilgotności. Jest to kalibracja higrometru urządzenia z np: higrometrem laboratoryjnym lub innym precyzyjnym urządzeniem. Czujnik mierzy wartość względną zależną od temperatury dlatego też korekta odbywać się może w zakresie +/-20%.
Alarmy w czujnikach wilgotności
Naciskając przycisk SET na tej opcji uzyskujemy możliwość ustawienia przedziału wilgotności po przekroczeniu której sterownik zacznie generować alarm dźwiękowy i optyczny. Przykład: Wmin= 60; Hist=5 Walm=5 %; oznacza że alarm będzie generowany wówczas gdy wilgotność z róznych powodów spadnie poniżej Wmin-Walm czyli poniżej 55 % oraz gdy z różnych powodów wzrośnie powyżej Wmin + Hist + Walm czyli 70 %. Istnieje możliwość ustawienia Talm od 0 do 30 %. Domyślnie ustawiona jest na 5 %.
Podsumowanie
Podsumowując, pod potocznym sformułowaniem „wilgotności powietrza” kryje się wiele różnych parametrów. Ich znajomość pomaga w zrozumieniu zawiłości pomiaru wilgotności, szczególnie w warunkach przemysłowych. Na szczęście całą wiedzę na temat pomiaru wilgotności powietrza producenci wykorzystują w procesie konstruowania swoich urządzeń. My otrzymujemy gotowe rozwiązanie, które lata badań naukowych i tomy dokumentacji mieści w małym, cyfrowym sensorze.
tags: #histereza #czujnika #wilgotności #definicja
