Práca sa zaoberá kapacitnými senzormi relatívnej vlhkosti vzduchu, rozoberá ich stavbu, bežné obvodové zapojenie. Práca rozoberá problematiku kalibrácie týchto senzorov. Súčasťou práce je kalibrácia troch integrovaných senzorov SHT71 a porovnanie ich teplotnej závislosti so sondou relatívnej vlhkosti Rotronic HC2-S3C03. Primárnym účelom výskumu je konštrukcia novej vlhkostnej sondy pre účely meteorológie.

1. Úvod

Relatívna vlhkosť vzduchu je dôležitý parameter pri množstve výrobných procesov – pri skladovaní citlivého materiálu, alebo v múzeách a galériách. Všade tam, kde vlhkosť ovplyvňuje kvalitu výroby, je potrebné vedieť ju merať a regulovať. Senzory relatívnej vlhkosti vzduchu majú využitie v neposlednom rade aj v meteorológii, kde je relatívna vlhkosť vzduchu jednou zo základných meraných veličín. Automatické meteorologické stanice zaznamenávajú merané veličiny v pravidelných časových okamihoch. Využívajú sa na to predovšetkým kapacitné senzory relatívnej vlhkosti.

2. Kapacitný senzor vlhkosti vzduchu

2.1 Stavba a princíp činnosti

Kapacitný senzor vlhkosti je v základnej forme tvorený dvomi vodivými platničkami, medzi ktorými je umiestnené dielektrikum. Kapacita senzora závisí od relatívnej permitivity dielektrika. Dielektrikum kapacitných senzorov vzduchu je stavané tak, aby do neho mohla vnikať (resp. unikať) vodná para z okolitého prostredia tak, že sa vytvára rovnováha vzhľadom na okolité prostredie. Relatívna permitivita “suchého” senzora je značne nižšia ako relatívna permitivita vody. Kapacita senzora sa preto s absorbovaním vzdušnej vlhkosti zvyšuje. Týmto spôsobom kapacita senzora odzrkadľuje relatívnu vlhkosť okolitého vzduchu. Zmena kapacity senzora v celom rozsahu relatívnej vlhkosti vzduchu (0 až 100) % RH činí bežne asi (40 až 50) pF. Kapacita senzora pri nulovej vlhkosti býva približne (100 až 200) pF [1].

Obr. 1. Stavba kapacitného senzora relatívnej vlhkosti vzduchu [1]

2.2 Obvodové zapojenia kapacitných senzorov

Je viacero spôsobov, ktorými je možné merať kapacitu senzora. Príkladom je zapojenie do oscilátora, kde kapacita priamo ovplyvňuje frekvenciu oscilátora. Frekvencia môže byť meraná priamo mikrokontrolérom. Ďalší spôsob je určovanie kapacity pomocou kondenzátora známej kapacity – nábojový prístup. Tento kondenzátor sa nabije na známe napätie. Náboj uchovaný v kondenzátore je

(1)

Obr. 2. Meranie kapacity senzora – nábojový prístup [1]

Keď pripojíme nabitý kondenzátor paralelne ku kapacitnému senzoru, teoreticky by celkový náboj v kondenzátore a senzore mal byť rovnako veľký, ako bol pôvodný náboj v kondenzátore. Dá sa určiť zo vzťahu

(2)

Tento spôsob merania je problematický hlavne z hľadiska nedokonalosti elektronických prepínačov. Ďalším spôsobom je meranie kapacity senzora relatívnej vlhkosti pomocou impedančného mostíka. Mostík je excitovaný striedavým napätím. Problémom môže byť meranie malého napätia (rozsah 100 mV) v širokom rozsahu teplôt. [1]

Obr. 3. Impedančný mostík [1]

Ak sa chceme vyhnúť problémom s návrhom analógového obvodového riešenia, ponúka sa možnosť použitia senzora s integrovaným A/D prevodníkom. Príkladom takýchto senzorov je senzorová rada SHT1x, resp. SHT7x od firmy Sensirion. Náš výskum sme sústredili najmä na tieto senzory.

3. Kapacitné senzory Sensirion SHT71 a SHT75

Senzory SHT7x sú kapacitné senzory relatívnej vlhkosti vzduchu s integrovaným A/D prevodníkom a digitálnym interfejsom. Napájacie napätie je v rozsahu (2,4 až 5,5) V. Spotreba energie je priemerne 0.09 mW pri jednom meraní za sekundu, 25 °C a rozlíšení 12 bitov. Senzory SHT7x obsahujú taktiež senzor teploty, ktorého presnosť je v celom rozsahu lepšia než 2,5 °C.

Obr. 4. Senzor SHT71 / SHT75 [2]

Rozdiel medzi senzormi SHT71 a SHT75 je v tolerancii chýb merania. Nižší model SHT71 má uvedenú maximálnu absolútnu chybu do 3 %RH v rozsahu (20 až 80) %RH, zatiaľ čo pre drahší SHT75 výrobca uvádza toleranciu 1,8 %RH v rozsahu (10 až 90) %RH.

Obr. 5 Hranice absolútnych chýb senzorov SHT71 a SHT75 pri t = 25 °C [2].

4. Komunikácia so senzorom SHT7x

Komunikácia so senzorom SHT7x je sériová synchrónna, teda po dvoch vodičoch – hodinovom CLOCK a dátovom DATA. Hodinový vodič je ovládaný iba Master zariadením, v našom prípade je to mikrokontrolér Atmel Atmega328p. Dátový vodič je ovládaný striedavo Master-om, alebo Slave-om (SHT7x). Komunikáciu začína vždy nadradený systém (Master) vyslaním špeciálnej inicializačnej sekvencie. Nasleduje vyslanie príkazu, ktorý určí, či nasleduje operácia zápisu alebo čítania, zároveň určí, ktorého registra SHT7x sa bude operácia týkať. Nasleduje prenos dát, zápis alebo čítanie. Ak bola operácia čítanie dát zo senzora, môže byť prijatý aj CRC8 kontrolný súčet. Na koniec nasleduje špeciálna sekvencia, ktorou Master ukončí komunikáciu.

Obr. 6. Rámce zápisu a čítania stavového registra SHT7x

4.1 Komunikácia s viacerými senzormi SHT7x

Kvôli potrebe pracovať s niekoľkými senzormi SHT7x súčasne sme hľadali spôsob, ako tieto senzory pripojiť k mikrokontroléru. Ukázalo sa, že postačuje ku každému senzoru viesť osobitne vodič CLOCK. Vodiče DATA sa spoja paralelne. Komunikácia pritom prebieha vždy tak, že mikrokontrolér používa vždy práve jeden zvolený vodič CLOCK na komunikáciu s prislúchajúcim senzorom. Ostatné senzory “vidia” iba log. zmeny na vodiči DATA, na ktoré však nijak nereagujú (stav vysokej impedancie), nakoľko na CLOCK vodičoch ostatných senzorov je kľudová úroveň. Komunikácia so zvoleným senzorom prebieha takým istým spôsobom, ako bolo popísané v predchádzajúcej stati. Odmeranie a vyčítanie hodnoty teploty a vlhkosti zo senzora SHT7x trvá približne 300ms.

5. Spracovanie výsledku merania SHT7x podľa katalógu

Výrobca uvádza v katalógovom liste [2] vzťah na linearizáciu nespracovaného výstupu senzora a keďže kapacitné senzory vlhkosti sú teplotne závislé, aj vzťah na kompenzáciu teplotných vplyvov. Deklarovaná presnosť senzorov má byť dosiahnutá po aplikácii týchto vzorcov. Linearizácia:

(3)

RH_raw predstavuje nespracovaný výstup senzora. Uvedený vzťah platí pre 12 bitový výstup senzora SHT7x. Teplotná kompenzácia:

(4)

Teplotu prostredia potrebnú pre teplotnú kompenzáciu môžme určiť pomocou vstavaného teplotného senzora. Teplotu v stupňoch Celzia získame vzťahom (5).

(5)

Vzťah (5) platí pre napájacie napätie senzora 3V a 14-bitový výstup senzora SHT7x.

6. Kalibrácia senzorov SHT71

K dispozícii máme tri vzorky senzorov SHT71. Označíme ich N1, N2 a N3. Prvé dva sú čisto nové, kúpené pred niekoľkými týždňami. Tretí (N3) je starší, už používaný (cca 2 roky). Je teda rozumné očakávať, že sa u neho objavia znaky starnutia. Meranie sme uskutočnili v generátore vlhkosti General Eastern C-1. Hodnotu rosného bodu poskytovalo meradlo rosného bodu General Eastern D2 (referenčný etalón SHMU). Teplota v kalibračnej komôrke je meraná platinovým senzorom a pohybovala sa v rozmedzí (23 až 25) °C. Z rosného bodu a teploty je možné vypočítať relatívnu vlhkosť. Laboratórium, v ktorom sme meranie vykonávali (akreditované kalibračné laboratórium SHMÚ), udáva rozšírenú neistotu merania 2,5 %RH.

Obr. 7. Generátor vlhkosti C-1, referenčný etalón D2 (vľavo dole), komôrka je prekrytá plexisklom s priechodkami, s nainštalovaným teplotným senzorom (červený prívod. kábel), nainštalované dve sondy Rotronic HC2-S3C03 a 3 senzory SHT71 (plochý kábel).

6.1 Problém pri kalibrácii senzorov relatívnej vlhkosti

Hlavným problémom je teplotná nehomogenita prostredia pri kalibrácii, keďže relatívna vlhkosť vzduchu je teplotne závislá veličina. V našom prípade by sme dostali skreslený údaj vtedy, ak by sa vyskytol znateľný rozdiel teplôt platinového senzora, teploty vzduchu v komôrke generátora vlhkosti a teploty senzora SHT71. Len pre ilustráciu, rozdiel teplôt 1 °C pri teplote 20 °C a relatívnej vlhkosti 50 %RH by spôsobil chybu ±3 %RH. Pri 90 %RH by rozdiel teplôt 0,2 °C spôsobil chybu ±1 %RH [3]. Teplotná stabilita systému je teda veľmi dôležitá. Keďže médium pri kalibrácii senzorov relatívnej vlhkosti je vzduch, ktorý má nízky koeficient prestupu tepla, na dosiahnutie teplotnej rovnováhy je potrebný relatívne dlhý čas – desiatky minút až hodina, prípadne aj viac.

6.2 Proces kalibrácie

Kalibrácia, ktorá bola vykonaná, je štandardná procedúra, ktorá sa v laboratóriu bežne používa pri kalibrácii kapacitných sond relatívnej vlhkosti. Proces je plne automatický, riadený PC. Postupne sa prechádza jednotlivými kalibračnými bodmi, pričom údaje zo senzorov sú periodicky zaznamenávané do súboru. Počet bodov je sedem, v nasledovnom poradí: 97 %RH, 70 %RH, 45 %RH, 19 %RH, 45 %RH, 70 %RH, 97 %RH. Kalibrácia teda začína pri vysokej vlhkosti, ide smerom nadol k najnižšej vlhkosti a potom sa vracia zas k vysokej vlhkosti. Táto postupnosť nie je náhodná – umožňuje stanoviť hysteréziu senzorov. Pri kalibrácii je čas na ustálenie 20 minút pri nízkych a stredných vlhkostiach, 60 minút pri vysokých (od 70 % RH).

6.3 Výsledky kalibrácie

Na prvý pohľad je zreteľné, že prvé dva senzory vyhovujú tomu, čo výrobca udáva. Absolútna chyba je menšia než ±3 %RH, hysterézia je menšia než ±1 %RH. Tretí senzor pravdepodobne prejavuje znak starnutia, nakoľko je výrazne odchýlená smernica lineárnej náhrady jeho prevodovej charakteristiky (gain). Tento jav je popísaný v aj katalógovom liste [2], okrem toho je to všeobecne známa vlastnosť kapacitných vlhkostných senzorov. Zdôvodnenie je také, že dielektrikum senzora časom nasáva rôzne chemické látky, ktoré v ňom zotrvávajú a tým znižujú množstvo vodnej pary, ktoré je dielektrikum schopné do seba poňať.

Tým pádom má senzor za rovnakých podmienok čím ďalej menšiu kapacitu. Udáva sa tiež, že tento proces je vratný, návrat spočíva vo vypekaní senzorov pri určitej teplote odporučenej výrobcom. S týmto sme zatiaľ neexperimentovali. Bežná prax sa s týmto javom vysporiadava periodickou kalibráciou, ktorá sa vykonáva u meteorologických sond väčšinou raz za rok.

Obr. 8. Absolútne odchýlky SHT71 od etalónu. Hodnoty SHT71 boli získané linearizáciou a teplotnou kompenzáciou podľa vzťahov (3) a (4). Hodnoty na zvislej osi sme získali zo vzťahu (6). Jednotky oboch osí sú %RH.

$latex $\Delta RH_{true} = RH_{true} – RH_{etalon}

(6)

7. Meranie teplotnej závislosti

Kalibrácia sa vždy vykonáva pri laboratórnej teplote. Z praktických dôvodov nás však zaujímajú odchýlky merania senzorov v širšom teplotnom rozsahu. V laboratóriu SHMU, ktoré nám bolo k dispozícii, nám to umožnila klimatická komora Feutron KPK600. Komora umožňuje meniť teplotu aj relatívnu vlhkosť v pomerne veľkej oblasti, čo nám umožňuje merať jednotlivé body teplotnej závislosti vlhkostných senzorov. Meranie v komore má však určité obmedzenia, kvôli ktorým je toto meranie menej presné, než meranie v generátore.

Prvým obmedzením je nedokonalosť regulácie teploty a vlhkosti. Hodnoty týchto veličín vo vnútri komory sa totiž neustália, ale oscilujú okolo nastavených želaných hodnôt. Druhým obmedzením merania je, že sme nemali k dispozícii referenčný etalón, na rozdiel od merania v generátore vlhkosti. Konvenčne správnu hodnotu sme teda získavali pomocou vlhkostnej sondy Rotronic HC2-S3C03, ktorú sme nadviazali na referenčný etalón počas predošlého experimentu.

Obr. 9. Klimatická komora Feutron KPK600

Obr. 10. Nadviazanie sondy Rotronic HC2-S3C03

7.1 Proces merania teplotnej závislosti

Z dôvodu obmedzených časových možností sme sa rozhodli merať celkovo v deviatich bodoch: pri troch rôznych teplotách 15 °C, 30 °C a 40 °C sme nastavovali vlhkosť na 25 %RH, 54 %RH a 97 %RH. Proces merania bol automatický, riadený PC. Namerané hodnoty boli v pravidelných časových okamihoch zaznamenávané do súboru.

7.2 Výsledky merania teplotnej závislosti

Obr. 11. Odchýlky merania senzora SHT71 N1

Obr. 12. Odchýlky merania senzora SHT71 N2

Obr. 13. Odchýlky merania senzora SHT71 N3

Grafy na obr.11, obr.12 a obr.13 zobrazujú odchýlky hodnôt senzorov SHT71 od nadviazanej sondy Rotronic HC2-S3C03. Hodnoty sme získali podobne ako pri kalibrácii, jedine s tým rozdielom, že konvenčne správnu hodnotu nám udáva namiesto referenčného etalónu D2 nadviazaná sonda Rotronic. Je potrebné uviesť, že nepoznáme teplotnú závislosť sondy Rotronic. Ide teda viac-menej o porovnanie tejto sondy so senzormi SHT71. Hodnoty SHT71 zahŕňajú teplotnú kompenzáciu podľa vzťahu (4).

Nové senzory N1 a N2 ukazujú väčšiu odchýlku závislú od teploty, než starší N3. Dala by sa vysloviť domnienka, že výrobca počíta s tým, že sa vlastnosti senzorov časom menia a preto nastavil koeficienty vo vzťahu na teplotnú kompenzáciu tak, aby vyhovovali aj po určitej dobe používania senzora. Je tiež možné, že odchýlky staršieho senzora N3 sú menšie náhodou. Na potvrdenie takejto hypotézy by bolo potrebné vykonať meranie s viacerými kusmi a meranie opakovať po uplynutí určitej doby, napríklad jedného roka. Experimenty pre dlhodobú stabilitu máme v pláne.

8. Záver

Kalibrácia ukázala, že chyby senzorov spadajú do tolerančného poľa určeného výrobcom. Pre reálne použitie v širšom teplotnom rozsahu sme porovnali výstup senzorov SHT71 s vlhkostnou sondou Rotronic, ktorá patrí k bežne používaným meradlám v profesionálnych automatických meteorologických staniciach. Doterajšie merania potvrdili toleranciu chýb udávanú výrobcom. Bolo by potrebné urobiť meranie aj pre záporné teploty, čo však v nám dostupnej klimatickej komore možné nebolo. Komora bola síce schopná dosiahnuť záporné teploty, ale nie je schopná súčasne regulovať vlhkosť. Celkovú spôsobilosť senzorov SHT potvrdí, alebo vyvráti dlhodobý test v exteriéri.

Odkazy na literatúru

1. Bull, K., “METHODS OF ACCURATELY MEASURING CAPACITIVE RH SENSORS”, May 02 – 05, 2006, Dostupné z
   http://www.vaisala.com/Vaisala%20Documents/White%20Papers/Methods-of-Accurately-Measuring-Capacitive-RH-Sensors.pdf
2. Datasheet SHT7x (SHT71, SHT75) Humidity and Temperature Sensor, Version 4.3 – May 2010, Dostupné z
   http://www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT7x.pdf
3. Schellenberg, R., The Trouble With Humidity: The Hidden Challenge of RH Calibration, 2002,
   http://www.vaisala.com/Vaisala%20Documents/White%20Papers/Trouble-with-Humidity.pdf

---

Spoluautormi článku sú Ing. Anton Krammer, RNDr. Oľga Novanská, Microstep-MIS
Práca bola prezentovaná na Študentskej vedeckej a odbornej činnosti (ŠVOČ 2011) v sekcii Meracia technika a získala Cenu ČS sekcie IEEE, ISBN 978-80-227-3508-7