Obwód z mostkiem zmiennoprądowymi może być wykorzystany do pomiaru nieznanej pojemności czujnika, takiego jak na przykład czujnik wilgotności względnej (RH). Niektóre czujniki wilgotności względnej zmieniają swoją pojemność w funkcji zmian wilgotności. Zwykle wartość zmiany pojemności (∆C) od 0% do 100% wilgotności jest dość mała. Zastosowanie cyfrowo programowalnej macierzy kondensatorów, takiej jak scalony układ NCD2400, który charakteryzuje się wysoką rozdzielczością i niewielkim krokiem pojemności, pozwala na użycie standardowego mostka zmiennoprądowego do pomiaru nieznanej pojemności sensora wilgotności.
NCD2400 jest układem sterowanym cyfrowo poprzez interfejs I²C. Dostępny jest w niewielkiej obudowie DFN. Układ ten oferuje szeroki zakres pojemności i nieulotną pamięć, zapamiętującą stan cyfrowego kondensatora. Dostępne jest 512 poziomów pojemności, konfigurowanych poprzez szeregowy interfejs I²C. Rysunek 1 przedstawia przykładowy obwód wykorzystujący ten układ w mostku do pomiaru pojemności sensora wilgotności.
Rys.1. Wykorzystanie cyfrowo programowalnej macierzy kondensatorów NCD2400 o wysokiej rozdzielczości może pomóc w określeniu wartości nieznanej pojemności i wilgotności względnej przy użyciu standardowego mostka zmiennoprądowego.
Układ pokazany na rysunku 1 działa jako prosty obwód mostka zmiennoprądowego z dopasowanymi wartościami rezystora i stabilnym źródłem wzbudzenia o stałej częstotliwości. Pojemność Cbulk można ustawić na 0% RH pojemności określonego czujnika wilgotności względnej, który zostanie użyty. Na przykład, jak pokazano na rysunku 2, pojemność dla wilgotności 0% wynosi około 270 pF. Ustawienie stałego kondensatora w mostku o tej przybliżonej wartości pozwala na przemieszczenie zakresu zmienności kondensatora cyfrowego z 12,5 pF do 60 pF w krokach po 355 fF (w tym przykładzie 133 wartości dyskretnych dla całego zakresu). Ta pojemność skokowa koreluje się z rozpiętością od 282,5 pF do 330 pF dla zakresu od 0% do 100% wilgotności względnej, jak pokazano na rysunku 2.
Ponieważ pojemność w mostku jest zmieniana przez zapisywanie do NDC2400 kolejnych wartości od niskiej do wysokiej pojemności, wzmacniacz różnicowy wyprowadza napięcie różnicowe na mostku. Gdy ADC lub µC wykryje minimalne napięcie, wartość pojemności ustawionej w cyfrowym kondensatorze odpowiada pojemności czujnika wilgotności. W tym momencie wartość kondensatora może zostać użyta do określenia względnej wilgotności.
Kalibracja
Kalibracja systemu jest krytyczna, a system jest zwykle kalibrowany w komorze wilgotnościowej, aby określić krzywą kalibracji czujnika. Ponieważ zależność między wilgotnością względną a pojemnością niekoniecznie jest liniowa, kalibracja zazwyczaj wykorzystuje funkcję kwadratową, która łączy pojemność Cp z pojemnością sensora. Zależność tą określają trzy parametry.
$$RH = A \times C_p^2 + B \times C_p + C$$
gdzie Cp to pojemność czujnika, a A, B, C to uzyskane podczas kalibracji współczynniki.
Zastąpienie w funkcji przejścia Cp wartością pojemności uzyskaną za pomocą NCD i zerowanie obwodu da wynik RH. Wynik wilgotności, wraz ze zmierzoną wartością temperatury z czujnika temperatury jak na rysunku 1, jest następnie wykorzystywany do obliczenia wartości wilgotności z kompensacją uwzględniającą temperaturę, ponieważ zapewni to największą dokładność pomiaru.
Pomiar wilgotności względnej jest dosyć złożonym zadaniem i należy wziąć pod uwagę wszystkie niepewności pomiaru. Na szczęście, jeśli kalibracja jest przeprowadzana na poziomie gotowego systemu, wiele pojemności wprowadzających normalnie błędy, jest usuwana i nie trzeba ich uwzględniać.
Źródło: https://www.edn.com/design/test-and-measurement/4462064/Measure-humidity-with-an-RH-bridge-and-digitally-programmable-capacitor
NCD2400 jest układem sterowanym cyfrowo poprzez interfejs I²C. Dostępny jest w niewielkiej obudowie DFN. Układ ten oferuje szeroki zakres pojemności i nieulotną pamięć, zapamiętującą stan cyfrowego kondensatora. Dostępne jest 512 poziomów pojemności, konfigurowanych poprzez szeregowy interfejs I²C. Rysunek 1 przedstawia przykładowy obwód wykorzystujący ten układ w mostku do pomiaru pojemności sensora wilgotności.
Rys.1. Wykorzystanie cyfrowo programowalnej macierzy kondensatorów NCD2400 o wysokiej rozdzielczości może pomóc w określeniu wartości nieznanej pojemności i wilgotności względnej przy użyciu standardowego mostka zmiennoprądowego.
Układ pokazany na rysunku 1 działa jako prosty obwód mostka zmiennoprądowego z dopasowanymi wartościami rezystora i stabilnym źródłem wzbudzenia o stałej częstotliwości. Pojemność Cbulk można ustawić na 0% RH pojemności określonego czujnika wilgotności względnej, który zostanie użyty. Na przykład, jak pokazano na rysunku 2, pojemność dla wilgotności 0% wynosi około 270 pF. Ustawienie stałego kondensatora w mostku o tej przybliżonej wartości pozwala na przemieszczenie zakresu zmienności kondensatora cyfrowego z 12,5 pF do 60 pF w krokach po 355 fF (w tym przykładzie 133 wartości dyskretnych dla całego zakresu). Ta pojemność skokowa koreluje się z rozpiętością od 282,5 pF do 330 pF dla zakresu od 0% do 100% wilgotności względnej, jak pokazano na rysunku 2.
Ponieważ pojemność w mostku jest zmieniana przez zapisywanie do NDC2400 kolejnych wartości od niskiej do wysokiej pojemności, wzmacniacz różnicowy wyprowadza napięcie różnicowe na mostku. Gdy ADC lub µC wykryje minimalne napięcie, wartość pojemności ustawionej w cyfrowym kondensatorze odpowiada pojemności czujnika wilgotności. W tym momencie wartość kondensatora może zostać użyta do określenia względnej wilgotności.
Kalibracja
Kalibracja systemu jest krytyczna, a system jest zwykle kalibrowany w komorze wilgotnościowej, aby określić krzywą kalibracji czujnika. Ponieważ zależność między wilgotnością względną a pojemnością niekoniecznie jest liniowa, kalibracja zazwyczaj wykorzystuje funkcję kwadratową, która łączy pojemność Cp z pojemnością sensora. Zależność tą określają trzy parametry.
$$RH = A \times C_p^2 + B \times C_p + C$$
gdzie Cp to pojemność czujnika, a A, B, C to uzyskane podczas kalibracji współczynniki.
Zastąpienie w funkcji przejścia Cp wartością pojemności uzyskaną za pomocą NCD i zerowanie obwodu da wynik RH. Wynik wilgotności, wraz ze zmierzoną wartością temperatury z czujnika temperatury jak na rysunku 1, jest następnie wykorzystywany do obliczenia wartości wilgotności z kompensacją uwzględniającą temperaturę, ponieważ zapewni to największą dokładność pomiaru.
Pomiar wilgotności względnej jest dosyć złożonym zadaniem i należy wziąć pod uwagę wszystkie niepewności pomiaru. Na szczęście, jeśli kalibracja jest przeprowadzana na poziomie gotowego systemu, wiele pojemności wprowadzających normalnie błędy, jest usuwana i nie trzeba ich uwzględniać.
Źródło: https://www.edn.com/design/test-and-measurement/4462064/Measure-humidity-with-an-RH-bridge-and-digitally-programmable-capacitor
Fajne? Ranking DIY
