Измерение влажности – как повысить точность?

20 апреля 2018

Компания Texas Instruments выпускает датчики влажности HDC, позволяющие выполнять измерения с погрешностью ±2% в широком диапазоне температур. Однако для получения точных и актуальных результатов необходимо учитывать целый ряд конструктивных и схемотехнических особенностей. Основные рекомендации по применению, предлагает компания Texas Instruments в документе «SNAA297A. Application Report. Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors».

Поддержание требуемого уровня влажности воздуха является важной задачей в самых различных областях. Это приводит к широкому распространению датчиков влажности:

• в бытовых приложениях (настольных метеостанциях, кондиционерах и так далее);
• в фармакологии при производстве и хранении сырья и готовых лекарств (системы кондиционирования, холодильники);
• в пищевой промышленности при производстве, транспортировке и хранении пищевых продуктов (системы кондиционирования, холодильники, мобильные холодильные установки для перевозки продуктов);
• в промышленности, в частности – для поддержания оптимальных условий при сборке и тестировании электронных устройств или для правильного хранения сырья при производстве электронных компонентов (резисторов, конденсаторов и прочего);
• в системах автоматизации зданий;
• в системах сигнализации (в датчиках газа, детекторах дыма и другое);
• в портативной электронике;

Современные датчики влажности должны обеспечивать высокую точность измерений и минимальное потребление, а также отличаться компактными габаритными размерами. Вместе с тем для достижения минимальной погрешности необходимо учитывать множество схемотехнических и конструктивных особенностей. Компания Texas Instruments не только выпускает линейку датчиков влажности HDC, позволяющих выполнять измерения с погрешностью ±2% в широком диапазоне температур, но и предлагает конкретные рекомендации по достижению указанной точности.

Датчики влажности HDC

В настоящий момент линейка датчиков влажности HDC от Texas Instruments включает три позиции (рисунок 1, таблица 1). Это миниатюрные сенсоры с минимальным потреблением и максимально простой схемой включения.

Рис. 1. Датчики влажности Texas Instruments

Таблица 1. Характеристики датчиков влажности от Texas Instruments

HDC1080 – интегральный датчик влажности со встроенным измерителем температуры и нагревательным элементом. Благодаря заводской калибровке HDC1080 имеет погрешность ±2% и диапазон рабочих температур -40…125°С. Измерение влажности может выполняться с разрешением 8/11/14 бит, а температуры – с разрешением 11 или 14 бит.

HDC1080 является самым крупным датчиком влажности производства Texas Instruments и выпускается в 6-выводном корпусе 6WSON размерами 3х3 мм. Чувствительный элемент в HDC1080 располагается в верхней части корпуса.

Для взаимодействия с управляющим контроллером используется интерфейс I²C. При этом HDC1080 отличается максимально простой четырехпроводной схемой включения: две цепи питания (VDD и GND) и две линии связи I²C (SCK и SDA).

Для минимизации потребления в HDC1080 реализовано два рабочих режима: режим измерений (measurement mode) и режим сна (sleep mode). При включении питания автоматически активируется режим сна с типовым потреблением 100 нА. После настройки по I²C запускается режим измерений со средним током потребления около 1,2 мкА (11-битные измерения влажности и температуры с частотой 1 измерение в секунду).

Дополнительный нагревательный элемент используется для разогрева сенсора и удаления конденсата. Правда, расплатой за это становится повышение потребления до 7,2 мА.

Диапазон питающих напряжений для HDC1080 составляет 2,7…5,5 В.

HDC1010 – датчик влажности, который отличается от HDC1080 уменьшенными габаритными размерами, расширенным функционалом и повышенной стойкостью к пыли и грязи.

HDC1010 выпускается в 8-выводном корпусе 8DSBGA размером 2,04×1,59 мм. Чувствительный элемент в HDC1010 располагается в нижней части корпуса, что, по задумке проектировщиков, должно увеличить стойкость к поверхностному загрязнению.

Функционал датчика был расширен за счет добавления выводов адреса (ADR0 и ADR1) и вывода прерывания DRDYn. Благодаря адресным входам ADR0 и ADR1 к одной шине I²C можно одновременно подключить несколько сенсоров HDC1010. Сигнал DRDYn сообщает об окончании цикла измерений и может быть использован для пробуждения управляющего контроллера, находящегося в режиме ожидания, что позволяет значительно сократить потребление всей системы в целом.

HDC2010 – самый новый и самый продвинутый датчик влажности производства Texas Instruments. От предшественников он отличается еще более компактными размерами, уменьшенным потреблением и пониженным диапазоном питающих напряжений.

HDC2010 выпускается в 6-выводном корпусе 6DSBGA размером 1,5х1,5 мм, что ровно в два раза меньше, чем, например, у HDC1080.

Уровень потребления в HDC2010 сокращен вдвое: в режиме измерений – до 0,55 мкА (11-битные измерения влажности и температуры с частотой одно измерение в секунду), а в режиме сна – до 50 нА. Одной из причин столь значительного повышения эффективности стало снижение нижней границы диапазона питающих напряжений почти в два раза – до 1,62 В.

Схема включения HDC2010 аналогична схеме включения HDC1010, однако вместо пары входов адреса ADR0 и ADR1 используется один вход ADR (рисунок 2).

Рис. 2. Структура и схема подключения датчика влажности HDC2010

Погрешность измерения влажности для всех представленных датчиков одинакова и составляет ±2%, а погрешность измерения температуры – ±0,2°С. Однако чтобы добиться такой точности, необходимо на этапе проектирования учитывать целый ряд конструктивных и схемотехнических особенностей. Рекомендации, предлагаемые Texas Instruments, представлены в документе “SNAA297A. Application Report. Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors”. Рассмотрим их подробнее.

Измерение влажности

Как и большинство датчиков влажности, сенсоры Texas Instruments измеряют относительную влажность RH%, равную отношению парциальных давлений (формула 1):

$$RH\%=\frac{P_{s}(Td)}{P_{s}(T)},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где Ps(T) – парциальное давление насыщенного пара при заданной температуре, Ps(Td) – парциальное давление насыщенного пара при температуре точки росы.

Очевидно, что условие проведения точных измерений – нахождение датчика в тех же условиях, что и измеряемый объект (в данном случае – воздух). К сожалению, это не всегда возможно из-за температурных погрешностей и временных задержек, возникающих по целому ряду причин:

• из-за наличия «воздушных мешков» в конструкции прибора;
• из-за саморазогрева;
• из-за влияния других источников тепла.

Рассмотрим каждый источник погрешности и методы борьбы с ними отдельно.

Формирование потока воздуха

Датчик измеряет уровень влажности окружающего воздуха. Очевидно, что если сенсор размещен в «воздушном мешке», в котором отсутствует циркуляция, то получаемые результаты окажутся неактуальными, так как на самом деле будут измеряться параметры «воздушного кармана». В идеале необходимо, чтобы датчик находился в продуваемом месте.

С помощью специальных щелей и каналов циркуляцию воздуха можно организовать, даже если датчик размещен в закрытом корпусе (рисунок 3), [1]. В идеальном случае это – прямой канал и пара отверстий. Даже при наличии единственного вентиляционного отверстия можно добиться обновления воздуха, хотя и со значительной задержкой.

Рис. 3. Формирование потока воздуха в закрытых корпусах [1]

Ограничение саморазогрева в датчиках влажности HDC

Для выполнения точных измерений следует принять во внимание эффект саморазогрева. Действительно, работа микросхемы неизбежно связана с потерями мощности. Часть этой мощности идет на разогрев кристалла самого датчика. Это приводит к искажению результатов измерений.

Для минимизации влияния саморазогрева необходимо уменьшать потребление. Этого можно добиться несколькими способами:

• за счет снижения частоты опроса;
• с помощью уменьшения разрядности измерений;
• за счет уменьшения напряжения питания.

Как отмечалось выше, для минимизации потребления в датчиках HDC производства Texas Instruments реализовано два режима работы: режима измерений (measurement mode) и режима сна (sleep mode). Потребление в режиме сна минимально: 100 нА у HDC1080 и HDC1010, 50 нА у HDC2010. В таком состоянии саморазогрев минимален. Зато в режиме измерений ток возрастает на порядок. В частности, средний ток для HDC1080 составляет 1,2 мкА при частоте 1 измерение в секунду, а для HDC2010 средний типовой ток равен 0,55 мкА. Очевидно, что и саморазогрев в режиме измерений будет выше на порядок.

В данном случае используется среднее значение тока, чтобы подчеркнуть, что датчик работает в импульсном режиме: большую часть времени он находится в спящем состоянии, периодически пробуждаясь для выполнения измерений. Чем реже датчик просыпается, тем меньше средний ток, и тем меньше саморазогрев. В руководстве по применению Texas Instruments рекомендует не делать более двух измерений в секунду (одно измерение влажности и одно измерение температуры) при получении результата с большим разрешением.

Разрядность измерений также имеет значение. Уменьшение разрешения приводит к сокращению времени измерения, а значит, и средний ток также будет снижаться.

Уменьшение напряжения питания – универсальный способ снижения уровня потребления для всех типов микросхем. Датчики HDC – не исключение. HDC1080 и HDC1010 могут работать с минимальным напряжением питания 2,7 В. У HDC2010 минимальное напряжение составляет 1,65 В.

Кроме саморазогрева, необходимо учитывать и влияние других источников тепла.

Конструктивные особенности размещения датчиков влажности

Работа всех без исключения электронных компонентов связана с потерями мощности и разогревом. Часть этой мощности испускается в виде теплового излучения, часть отводится за счет конвекции, а часть – за счет теплопроводности окружающих объектов. Именно теплопроводность и является основным фактором, который может повлиять на точность измерения при использовании датчиков HDC.

Расчет тепловой модели оказывается достаточно сложным, так как требует анализа теплопроводности проводников, печатной платы, воздуха, припоя, паяльной маски, защитного лака, топологии проводников и так далее. Поэтому в руководстве по применению Texas Instruments рекомендует просто-напросто минимизировать влияние основных источников тепла, расположенных рядом с датчиками влажности.

Основной вклад в перенос тепла вносят медные проводники и полигоны проводящего рисунка на печатной плате. Далее следует учитывать теплопроводность стеклотекстолита и воздуха (таблица 2). Конечно, в конструкции прибора могут использоваться теплостоки или платы на алюминии, но это, скорее, исключения.

Таблица 2. Теплопроводность популярных материалов, используемых в электронике

Для минимизации влияния источников тепла необходимо выполнить тепловую изоляцию датчика влажности. Это можно сделать с помощью нескольких приемов.

Ограничение полигона земли. Так как основной вклад в теплопроводность вносит медь, то необходимо выполнять полигон земли таким образом, чтобы он не захватывал датчик влажности (рисунок 4). В таком случае передача тепла будет идти преимущественно через текстолит, теплопроводность которого на три порядка ниже.

Рис. 4. Полигон земли не распространяется на датчик влажности [1]

Рис. 5. Расположение датчика влажности в углу печатной платы [1]

Рис. 6. Формирование вырезов на печатной плате для изолирования датчика влажности [1]

Рис. 7. Перфорация на печатной плате для изолирования датчика влажности [1]

Рис. 8. Датчик влажности вынесен на отдельную печатную плату [1]

Это можно сделать за счет использования минимальной толщины платы, например 0,8 мм или менее. Еще одни способ заключается в применении гибких печатных плат с минимально возможной площадью (рисунок 9).

Рис. 9. Датчик влажности может быть вынесен на отдельную гибкую печатную плату [1]

Особенности проектирования печатных плат при работе с датчиками HDC

В дополнение к общим правилам, рассмотренным выше, компания Texas Instruments предлагает и еще несколько рекомендаций:

• для минимизации тепловой проводимости и тепловой емкости при использовании датчиков с корпусом WSON (HDC1080) вывод DAP необходимо распаивать на контактную площадку, не подключенную к земляному полигону. Эта контактная площадка также не должна содержать переходных отверстий;
• место, выделенное под датчик влажности, должно иметь запрет для трассировки. Крайне не рекомендуется размещать здесь проводники и переходные отверстия. Не стоит также располагать компоненты на нижней стороне печатной платы;
• при создании библиотечного компонента посадочного места для датчиков влажности рекомендуется использовать тип контактных площадок без перекрытия паяльной маской NSMD (non-solder-maskdefined);
• крайне не рекомендуется располагать массивные объекты (экраны, кнопки, винты и так далее) ближе, чем 5 мм от датчика;
• для идеального выравнивания датчика следует использовать симметричный проводящий рисунок, то есть, в случае необходимости выводить проводники даже от неиспользуемых контактных площадок;
• так как потребление датчиков влажности HDC достаточно мало, то для уменьшения теплопроводности следует использовать проводники питания (VDD и GND) минимальной ширины;
• Texas Instruments рекомендует использовать традиционный многослойный керамический развязывающий конденсатор 0,1 мкФ X7R.

Мы рассмотрели наиболее общие рекомендации по разработке печатных плат с датчиками влажности. Кроме того, в руководстве по применению Texas Instruments приводит более полный анализ теплопроводности и теплоемкости системы [1].

Как видно из предлагаемых рекомендаций, построение качественного прибора требует достаточно скрупулезной проработки. Для сокращения времени на освоение датчиков влажности HDC производства Texas Instruments можно воспользоваться готовым отладочным набором HDC2010EVM и сопутствующим программным обеспечением.

Средства разработки и отладки

HDC2010EVM – отладочный набор на базе датчика влажности HDC2010, работающего под управлением микроконтроллера MSP430F5528 (рисунок 10). Взаимодействие с ПК осуществляется с помощью USB и прикладного бесплатного программного обеспечения.

Рис. 10. Внешний вид отладочной платы HDC2010EVM

Отладочная плата имеет перфорацию и содержит пять выводов для установки штыревого разъема. В случае необходимости ее можно разломить и отдельно подключить датчик HDC2010 к собственному устройству.

Отладочное ПО является бесплатным и может быть скачано с официального сайта TI: http://www.ti.com/lit/zip/snoc028. Программа позволяет работать с регистрами датчика в реальном времени, проводить и накапливать результаты измерений влажности и температуры, строить графики (рисунок 11).

Рис. 11. Построение графиков температуры и влажности с помощью отладочного ПО

Заключение

Компактные и малопотребляющие датчики влажности и температуры серии HDC производства компании Texas Instruments позволяют выполнять измерения относительной влажности с погрешностью ±2% и температуры – с погрешностью ±0,2°С.

Для достижения столь высокой точности необходимо следовать рекомендациям, изложенным в руководстве по применению «SNAA297A. Application Report. Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors». В этом документе рассматриваются основные факторы, влияющие на точность измерений: наличие «воздушных карманов», высокая теплопроводность при наличии источников тепла, высокая тепловая емкость печатной платы и системы в целом, саморазогрев датчиков.

Литература

1. Ben Kasemsadeh, Carmine Iascone: Optimizing Placement and Routing for Humidity Sensors. Application Report. TI, 2017;
2. http://www.ti.com.