№3 / 2018 / статья 6

Измерение влажности – как повысить точность?

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

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

Рис. 1. Датчики влажности Texas Instruments

Таблица 1. Характеристики датчиков влажности от Texas Instruments

Параметр HDC2010 HDC1010 HDC1080
Точность измерения относительной влажности (тип.), % RH ±2 ±2 ±2
Диапазон измерения относительной влажности (тип.), % RH 0…100 0…100 0…100
Точность измерения температуры (тип.), °C ±0,2 ±0,2 ±0,2
Диапазон питающих напряжений, В 1,62…3,6 2,7…5,5 2,7…5,5
Средний ток потребления (тип.), мкА 0,55 (1 выб/с) 1,2 (1 выб/с) 1,2 (1 выб/с)
Коммуникационный интерфейс I²C I²C I²C
Диапазон рабочих температур, °C -40…125 -40…125 -40…125
Корпус/габариты, мм 6DSBGA/1,5×1,5 8DSBGA/2,04×1,59 6WSON/3,00×3,00

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

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]

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

Стоит отметить, что производитель не рекомендует размещать датчик напротив вентиляционных отверстий и щелей. Это связано с тем, что при длительном воздействии УФ-лучей, света видимого спектра или химических реагентов точность измерений может снизиться. Кроме того, как уже говорилось выше, в датчиках HDC1080 чувствительный элемент располагается в верхней части корпуса. По этой причине следует учитывать, что HDC1080 оказываются наиболее чувствительными к падающему свету, пыли и загрязнению.

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

Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/м·°K
Воздух 0,0275
Паяльная маска 0,245
Стеклотекстолит FR4 0,25
ПОС61 5,4
Кремний 150
Алюминий 202…236
Золото 314
Медь 385
Серебро 406
Карбид кремния 490

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

Удаление датчика от источников тепла. Датчик влажности следует максимально удалить от источников тепла. В идеале его лучше всего разместить в углу печатной платы (рисунок 5). При этом он с двух сторон будет окружен печатной платой, а с двух других сторон – воздухом, теплопроводность которого еще меньше.

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

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

Формирование изолирующих вырезов в стеклотекстолите. Чтобы минимизировать передачу тепла, можно выполнить вырезы в печатной плате (рисунок 6). Из-за малой теплопроводности воздуха это обеспечит весьма достойную тепловую изоляцию.

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

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

Выполнение перфорации печатной платы. Данный способ является аналогом предыдущего способа, с той разницей, что используются не вырезы, а отверстия (рисунок 7). При этом сам датчик может быть вынесен в угол печатной платы или размещен на специальном выступе. Подобный метод использовался на отладочном модуле TMP116 Evaluation module производства Texas Instruments.

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

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

Вынос датчика на отдельную печатную плату. Если на плате находятся мощные источники тепла, то стоит задуматься о выносе датчика на отдельную печатную плату. При этом можно использовать краевые разъемы (рисунок 8).

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

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

Минимизация теплоемкости системы. Печатная плата является не только проводником, но и накопителем тепла. Действительно, нагрев и охлаждение печатной платы занимает достаточно много времени. Этот инерционный процесс приводит к тому, что датчик измеряет температуру с огромным запаздыванием. Чтобы минимизировать такой эффект, необходимо снижать теплоемкость печатной платы.

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]

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

Кроме расположения датчика на печатной плате Texas Instruments рекомендует учитывать и некоторые другие особенности.

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

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

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.

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее