HU184364B - Electronic relative humidity meter and/or sensor - Google Patents

Abstract

A találmány elektronikus relatív nedvességmérő és/vagy távadó készülék, amely relatív nedvesség hatására kapacitását vagy vezetőképességét változtató érzékelővel működik. Az érzékelő egy oszcillátor frekvenciameghatározó eleme, amelynek kimenete jelformáló áramkörön át egy számláló egyik bemenetéhez csatlakozik. Egy referencia | oszcillátor, amely 0% rel. légnedvességnek megfelelő j frekvencián rezeg, egy másik jelformáló áramkörön át egy i mérőjel oszcillátorhoz csatlakozik. Ennek kimenete a számláló másik bemenetéhez van kötve. A számláló kimenete egyrészt kijelzőhöz, másrészt egy mérőjel frekvenciaszabályozóhoz csatlakozik, amelynek kimenete a mérőjel oszcillátorhoz van kötve. A mérőjel frekvencia szabályozó áramkör egyrészt a számláló telítettségével, másrészt hőfokfuggő feszültségszabályozó áramköre révén a hőmérséklettel fordított arányban változó feszültséget ad a mérőjel oszcillátornak. A mérőjel oszcillátor frekvenciája ilymódon figyelembe veszi az érzékelő hőfokfüggését és nem- linearitását. 1. ábra -1-

Description

A találmány tárgya relatív nedvesség mérésére és/vagy távadására alkalmas kisfogyasztású elektronikus készülék, amely előnyösen kapacitív érzékelővel működik és az érzékelő hőmérsékletfüggését valamint érzékenységének nemlinearitását elektronikusan kompenzálja.

A relatív nedvességet mérő, villamos kimenőjelet szolgáltató ismert műszerek különböző érzékelőket használnak: száraz-nedves ellenálláshőmérő, lithium cloridos érzékelő, nedvesség hatására mechanikai tulajdonságaikat (pl. nyúlás) változatató érzékelők és nedvesség hatására villamos tulajdonságaikat (kapacitás, vezetőképesség) változtató érzékelők.

Valamennyi érzékelő közös jellemzője, hogy egy fizikai mennyiség nedvesség hatására történő megváltozását használja a rel. nedvesség értékének meghatározására. E megváltozás mértéke azonban a nedvesség mellett függ a hőmérséklettől és a mérendő közeg (gáz) telítettségétől. Annak érdekében tehát, hogy a műszerek hőmérsékletfüggését és nemlineáris érzékenység változását kompenzálni tudják, költséges áramköröket alkalmaznak. Ilyenek találhatók pl. a 2219075 sz. NSZK; 3, 886,797 és 3,890,828 sz. USA szabadalmi leírásban. Ezek egyfelől a műszer bonyolultságát növelik, másfelől pedig érzékelőcsere esetén hosszadalmas újrahitelesítő eljárásokat igényelnek.

Célkitűzésünk, hogy olyan kisméretű, kisfogyasztású rel. nedvességmérő készüléket szerkesszünk, amely közvetlen digitális kijelzésű és/vagy távmérésre, ill. automatikus adatfeldolgozásra közvetlenül alkalmas kimenőjelet szolgáltat. A készülék a hőmérsékleti effektus és az érzékenység nemlinearitásának kompenzálását a méréshez feltétlen szükséges inherens tulajdonságainak kihasználásával oldja meg. További célunk, hogy azonos típusú érzékelőcsere esetén a hitelesítés a helyszínen, egyszerű eszközökkel gyorsan elvégezhető legyen.

Célkitűzésünket a kövekezőképpen oldottuk meg: érzékelőként egy kereskedelmi forgalomban levő kétoldalán porózus aranyelektródokkal ellátott műanyagfóliát (kondenzátort) használunk. Ez egy „nedvesség” oszcillátor frekvenciájának meghatározó eleme. (Elvben használhatnák az R-C oszcillátor ohomos elemét is érzékelőként.) Mivel a rel. nedvesség hatására változik a kapacitás, változik a,,nedvesség” oszcillátor frekvenciája is. A rel. nedvesség kiértékelése egy referencia oszcillátor segítségével történik olymódon, hogy mindkét oszcillátorhoz egy-egy azonos felépítésű jelátalakító áramkör csatlakozik. Ezek kimenetén meghatározott periódusszám eltelte után szintváltozás (pl. alacsonyról magas) következik be. A referenciaoszcillátor állandó frekvenciáját úgy állítjuk be, hogy 0% rel. nedvességnél azonos legyen a , .nedvesség” oszcillátoréval. Nagyobb rel. nedvességnél így mindig a referencia oszcillátor rezeg nagyobb frekencián és a hozzá csatlakozó jelátalakító kimenetéről indíthatunk egy mérőjel oszcillátort, amelynek jele egy számlálóra jut. A „nedvesség” oszcillátor ágban bekövetkező szintváltozás, amelynek időpontja a rel. nedvesség értékével arányos frekvenciától függ, leállítja a számlálót (és kikapcsolja a nem tároló áramkörök tápfeszültségét). így a számláló kimenetén a rel. nedvesség értékével arányos impulzuskód jelenik meg. Annak érdekében, hogy ez a kód a rel. nedvességet közvetlenül (korrekciós táblázat használata nélkül) százalékban szolgáltassa, kihasználtuk a mérőjel oszcillátor frekvenciájának tápfeszültség-függését. Magasabb hőmérsékleten az érzékelő ugyanazon relatív nedvesség értékéhez nagyobb kapacitás értéket rendel, mint alacsonyabb hőmérsékleten és így kisebb frekvencián rezeg a „nedvesség” oszcillátor és később állítja le a számlálást. Hogy a számláló kimenetén megjelenő impulzuskód a rel. nedvességet a hőmérséklet torzító hatása nélkül jellemezze, azt azáltal érjük el, hogy a mérőjel oszcillátort a hőmérséklettől fordítva függő tápfeszültséggel járatjuk. Ílymódon magasabb hőmérsékleten kisebb frekvenciával fog rezegni és így a magasabb hőméréklet miatt hosszabb ideig nyitott kapuáramkörön át válktozatlan számú impulzus jut a számlálóra.

Az érzékelő tulajdonsága, hogy kapacitása nem lineárisan nő a relatív nedvesség növekedésével, hanem egységnyi rel. nedvességnövekedéshez nagyobb kapacitás növekedés tartozik. Cél, hogy a mérőjel oszcillátor frekvenciaváltozása egységnyi rel. nedvesség változásra az egész méréstartományban azonos mértékű legyen. Ezt előnyösen úgy valósítjuk meg, hogy a kapacitásváltozás növekedésével azonos mértékben csökkentjük a mérőjel oszcillátor frekvenciáját. Gyakorlati kivitel során elengedő a folyamatos kompenzálást törtvonalas közelítéssel megvalósítani olymódon, hogy a számláló kimenetéről vezérelt elektronikus kapcsolók növekvő kapacitásértéknél csökkenő tápfeszültséggel látják el a mérőjel oszcillátort.

Ezzel elérjük, hogy pl. minden rel. nedvesség százalékhoz egy impulzus tartozzék az egész mérési tartományban.

Első üzembehelyezéskor csakúgy, mint érzékelőcsere esetén a műszer hitelesítése úgy történik, hogy nullához közeli rel. nedvesség érzékelése közben azonos frekvenciára kell hangolni a nedvesség oszcillátort a referenciaoszcillá orral.

Gyakorlati kivitelezése egy potenciométer állításával történik, míg a műszer az ismert rel, nedvességet jelzi ki. Egy másik potenciométer segítségével közel telített rel. nedvesség érzékelése mellett a mérőjel oszcillátor frekvenciáját kell addig hangolni, míg a kijelzett érték közel 100 %. Ezután meg kell ismételni a fenti beállításokat. A hitelesítéshez szükséges két ismert rel. nedvességet szolgáltató, érzékelőre húzható segédeszköz (telített sóoldat).

A műszer minimális villamos teljesítményfelvételét a kisfogyasztású elemek alkalmazása mellett szakaszos üzemmel biztosítjuk.

A találmány tárgyát rajzok alapján ismertetjük, ahol az

1. ábra a készülék egy lehetséges kiviteli alakjának tömbvázlatát mutatja,

2. ábra a készülék mérőjel frekvencia szabályozójának áramköri felépítését mutatja, a

3. ábra a készülék egy további előnyös kiviteli alakjának tömbvázlatát mutatja, a

Az 1. ábrán a kapacitív 1 érzékelő a 2 nedvességoszcillátor része, amely a 3 jelformáló áramkörhöz csatlakozik. Az 5 referencia oszcillátor a 6 jelformáló áramkörön keresztül a 7 mérőjel oszcillátorhoz csatlakozik. A 4 számláló áramkör számláló bemenetére a 7 mérőjel oszcillátor, a 4 számláló áramkör engedélyező bemenetére a 3 jelformák) áramkör kapcsolódik. A 4 számláló áramkör kimenete egyfelől a 9 kijelzőhöz, másfelől a 8 mérőjel frekvenciaszabályozóhoz csatlakozik. Ennek kimenete a 7 mérőjel oszcillátor-21

184 364 hoz van kötve. A 10 tápegység stabilizált feszültségű kimeneté a 2 nedvesség oszcillátor, az 5 referencia oszcillátor és a 8 mérőjel frekvencia szabályozó egységekhez kapcsolódik. Az összes többi tápfeszültséget igénylő egység a 10 tápegység (rajzon nem feltüntetett) stabilizálatlan kimenetéhez van kötve. A 10 tápegység továbbá össze van kötve a 3 jelformáló áramkör kimenetével, ez biztosítja a 10 tápegység stabilizátorának vezérlését.

Az 1. ábra alapján leírt példa szerinti kapcsolás működése a következő. A kapacitív 1 érzékelő a 2 nedvesség oszcil* látort folyamatosan hangolja a környezet relatív nedvességétől függő frekvenciára. A 2. nedvesség oszcillátor kimenőjele a 3 jelformáló áramkört vezérli olymódon, hogy an> nak kimenetén előre megválasztott periódusszám lefutása után logikai szintváltás következik be. Az állandó frekvenciájú 5 referencia oszcillátor kimenőjele a 6 jelformáló áramkört vezérli olymódon, hogy annak kimenetén ugyanannál az előre megválasztott periódusszámnál logikai szintváltozás következik be. Az 5 referencia oszcillátor frekvenciáját hitelesítéskor a 2 nedvesség osztcillátor működési frekvencia tartományának felső határára kell beállítani. így a 6 jelformáló áramkör kimenetén jelentkező szintváltás indítja a 7 mérőjel oszcillátort, amelynek kimenőjele lépteti a 4 számláló áramkört addig, amíg a 3 jelformáló áramkör kimenetén jelentkező szintváltás le nem állítja azt. Mivel a kapacitív 1 érzékelő kapacitása száraz állapotból kiindulva a környezet rel. nedvességének növekedésével nő, a 2 nedvesség oszcillátor frekvenciája csökken. llymódon a 3 jelformáló áramkör kimeneti szintváltozása a pillanatnyi rel. nedvesség értékétől függően később következik be, mint a 6 jelformáló áramköré. így a nagyobb rel. nedvesség értékéhez hosszabb idejű 7 mérőjel oszcillátor — 4 számláló áramkör működés tartozik. A 7 mérőjel oszcillátor működési frekvenciája a 8 mérőjel frekvencia szabályozó egység hatására arányosan változik egyrészt a környezeti hőmérséklet változásával, másrészt a 4 számláló áramkör pillanatnyi telítettségével. A 7 mérőjel oszcillátor alapfrekvenciáját hitelesítéskor úgy kell beállítani, hogy telített relatív nedvesség mérése esetén a 9 kijelző éppen telített értéket mutasson. Kiviteli példánkban a 8 mérőjel frekvenciaszabályozó egységben a linearizálás törtvonalas közelítésének töréspontjait a 40,60 és 80% rel. nedvesség értékekhez választottuk. A tépfeszültségellátás példánkban * telepről történik. Telepfeszültséget kapnak a 3 és 6 jelformáló áramkörök, a 4 számláló áramkör és a 9 kijelző; stabilizált és csak mérés idejére bekapcsolódó tápfeszültséget kapnak a 2 nedvesség oszcillátor, az 5 referenciaoszcillátor, a 8 mérőjel frekvencia szabályozó és ezen keresztül a 7 mérőjel oszcillátor. A feszültségstabilizátor mérés idejére történő bekapcsolását a 3 jelformáló áramkör kimenőjele vezérli . A mérés automatikusan megismétlődik a 3 és 6 jelformáló áramkörök, valamint a 4 számláló áramkör nullázása után. A nullázás történhet akár önműködően előállított, akár kívülről beadott impulzussal. Ha a kapacitív 1 érzékelő helyett a relatív nedvesség hatására ellenállását változtató 1 érzékelőt használunk, úgy a kapcsolás azonos elemekből épül fel és azonos módon működik.

A 7 mérőjel oszcillátor könnyen megvalósítható astabil multivibrátorral. Ilyet kialkíthatunkkétbemenetűSchmittkörből, amelyből pl. a CD 4093-as integrált áramkörben db van. A másik három mint a 8 mérőjel frekvencia szabályozó kapcsolói (Ki, K₂, K₃ kapuáramkörök) kapcsoló funkciót láthat el. A példa szerinti megvalósított kivitel 8 mérőjel frekvencia szabályozójának kapcsolását a 2. ábra mutatja. A 8 mérőjel frekvenciaszabályozó a 7 mérőjel oszcillátorhoz csatlakozó, egymással közvetve az R5 ellenálláson keresztül összekötött hőfokfüggő feszültségszabályozót és mértékfuggő feszültségszabályozót tartalmaz, mely utóbbi bemenete csatlakozik a 4 számláló áramkör kimenetéhez. A hőfokfüggő feszültségszabályozó Ti — T₂ tranzisztorai, a 10 tápegység stabil kimenetéről táplált hőfokfüggő referencia feszültség forrástól vezérelve, hőfokfuggő kimenőfeszültségef adnak a 7 mérőjel oszcillátor bemenetére és ugyanerre a bemenetre dolgozik a hőfokfüggő feszültségszabályozóval összekötött a Kj—K₂—K₃ kapuáramköröket tartalmazó mértékfüggő feszültségszabályozó kapcsolás, amely a 4 számláló áramkörtől vezérelve annak növekvő telítettségével más-más Ró, R7, ill. Rs osztótagot kapcsol a hőfokfüggő feszültségszabályozó kimenetén lévő R5 ellenálláshoz. A 8 mérőjel frekvenciaszabályozó áramkör két áramköri része ilymódon egyidejűleg folyamatosan vezérli a 7 mérőjel oszcillátort, egyrészt kompenzálva az 1 érzékelő hőfokfüggését, másrészt nemlinearitását.

A hőmérsékleti effektus kompenzálását Tj és T₂ tranzisztorokat tartalmazó hőfokfüggő feszültségszabályozó úgy végzi, hogy a T1 tranzisztor kollektorán jelentkező kimenő feszültség a T₂ tranzisztor bázisához csatlakozó R| ellenállásból és vele sorbakötött D j, D₂ diódákból álló referencia feszültségforrástól függő értékű.

Hőfokfuggetlen feszültségstabilizálási célból gyakran alkalmaznak olyan Zenerdióda-dióda kapcsolást, ahol egy pozitív T_k-jú Zenerdiódával egy negatív T_k-jú diódát sorba kapcsolva közel nulla eredő hőfoktényezőt kapnak.

Találmányunknál a 8 mérőjel frekvencia szabályozó egységben olyan Zenerdióda-dióda együttest választottunk, amelynek eredő T_k-ja negatív. (Ebben a méretezésben egyaránt figyelembe vettük a Zenerdióda, szilíciumdióda és T₂ tranzisztor paramétereit.) Ezzel a kapcsolással növekvő hőmérséklettel csökkenő kimenőfeszültséget kapunk, amelynek hatására a 7 mérőjel oszcillátor frekvenciája csökken. Ez olyan mértékű, hogy az 1 érzékelő hőfokfüggését a méréstartományban éppen kiegyenlíti. Ugyanilyen hatást érünk el például, ha a T₂ tranzisztor helyett differenciál erősítőt, Dj és D₂ diódák helyett csak szilíciumdiódát használunk. Ugyancsak alakalmas referencia feszültségforrásnak olyan transzisztoros kapcsolás, amelyben a kimenőfezültség hőfokfüggése két ellenállás arányának, nagysága pedig értékük megfelelő megválasztásával érhető el.

A linearizálást a kapcsolás úgy végzi, hogy a fenti szabályozott feszültség változtatható osztón keresztüljut a 7 mérője oszcillátorba. Az R^, R7, Rg osztótagok közül a 4 számláló áramkör telítettségétől függően, 40%-ig egyik sincs bekapcsolva, 40—60%-ig az Ró osztótag 60—80%-ig az Ró—R7 osztótagok és 80% fölött az Rg ellenállás van bekapcsolva az R₃ ellenállással osztóként. Az Ró, R7 és Rg osztótagok értékének megválasztásával a 7 mérőjel oszcillátor tápfeszültsége úgy csökken, hogy működési frekvenciája az 1 érzékelő érzékenységének növekedését éppen ellensúlyozza.

184 364

A linearizálás természetesen tetszőleges számú és értékű törésponttal valósítható meg.

A találmány előnye, hogy a készülék olyan 1 érzékelővel működik, amely nem igényel sem kezelést (nedvesítés, légáramoltatás) , sem karbanartást és nem érzékeny az esetle- ₅ ges agresszív környezetre.

Az 1 érzékelő szükség esetén könnyen cserélhető azonos típusúra és ilyen esetben az újrahitelesítés a helyszínen egyszerűen elvégezhető.

A műszer kisfogyasztású, kisméretű, telepes, hordozható kivitelű és közvetlen számkijelzésű. Távadóként működtetve kimenőjele közvetlenül bekapcsolható adatgyűjtő rendszerbe.

Működési pontossága nem függ a mérendő közeg hőmérsékletétől.

A készülék kiemelkedő előnye, hogy kimenőjele a relatív nedvességgel lineárisan arányos, azaz a méréstartományon belül bárhol a relatív nedvesség 1 % -os változása esetén a kijelzett számérték eggyel változik.

A készülék további előnye, hogy egyszerű átkapcsolással alkalmassá tehető a hőmérséklet mérésére is. Ez a kapcsolás a 3. ábrán látható. E megoldásban a 2 oszcillátorhoz a relatív nedvesség 1 érzékelő egy kapcsolón keresztül csatlakozik. A nedvesség 2 oszcillátor hőmérséklet 2 oszcillátorrá alakítható, ha a nedvesség 1 érzékelő elemei helyett a kapcsoló átkapcsolásával 11 hőmérséklet érzékelőt kapcsolunk hozzá, amely rögzített kapacitást és hőfokfüggő ellenállást tartalmaz. Ilymódon a készülék hőmérséklet mérésére is alkalmas az ismert ellenálláshőmérő elv alapján. Hőmérséklet mérő kapcsolásban a 11 hőmérséklet érzékelő beiktatásával egyidejűleg a 7 mérőjel oszcillátort a 8 mérőjel frekvencia szabályozó kimenetéről egy további kapcsolóval a 10 tápegységre, tehát állandó feszültségre kapcsoljuk. (A többi áramköri egység kapcsolata megegyezik az 1. ábrán láthatóakkal.)

Nulla °C alatti hőmérsékletek mérésekor a 3, ill. 6 jelformáló áramkörök kimeneti szintváltozása fordított sorrendben következik be (először a 3 jelformáló áramköré, azután a 6 jelformáló áramköré). Ezt a tényt a 4 számláló áramkör érzékeli és negatív előjel vezérlésére alkalmas fezültséget is ad.

A készülék hőmérsékletmérésre olymódon is alkalmassá tehető, hogy a nedvesség oszcillátor állandó feszültségre kötött frekvencia meghatározó R—C tagja helyére egy nedvességtől és hőmérséklettől nem függő R—C tagot kapcsolunk és ezt hőmérséklettel arányosan változó feszültségre kötjük. E feszültséget egy szilícium dióda hőmérsékletfüggő nyitóirányú feszültségéből állítjuk előjelformálással.

Claims (3)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Készülék relatív nedvesség kapacitív vagy ohmikus érzékelővel elektronikus úton történő mérésére és/vagy távadására, amely cserélhető kapacitív vagy ohmos elemmel hangolható oszcillátort, referencia oszcillátort és ezek kimenetéhez csatlakozó számlálót és esetleg kijelzőt tartalmaz, azzaljellemezve, hogy az oszcillátor (2) — amelynek frekvenciameghatározó eleme a relatív nedvesség érzékelő (1) — kimenete előnyösen jelformáló áramkörön (3) át a számláló áramkör (4) egyik bemenetéhez kapcsolódik, referencia oszcillátora (5) előnyösen további jelformáié áramkörön (6) keresztül egy mérőjel oszcillátorhoz (7) csatlakozik, amely a számláló áramkör (4) másik bemenetéhez van kötve, amelynek kimenete egyrészt esetleg a kijelzőhöz (9), másrészt a hőmérsékletérzékelővel is rendelkező mérőjel frekvenciaszabályozóhoz (8) csatlakozik, amely utóbbi kimenete a mérőjel oszcillátorhoz (7) van kötve.
2. 2. Az 1. igénypontban meghatározott készülék kiviteli alakja azzal jellemezve, hogy mérőjel frekvenciaszabályozó áramköre (8) a mérőjel oszcillátorhoz (7) csatlakozóan, egymással közvetve összekötött hőfokfüggő feszültségszabalyozót és mértékfüggő feszültségszabályozót tartalmaz, amely utóbbi bemenete csatlakozik a számláló áramkör (4) kimenetéhez.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypontban meghatározott készülék kiviteli alakja azzal jellemezve, hogy az oszcillátorhoz (2) a relatív nedvességérzékelő (1) kapcsolón keresztül csatlakozik és a mérőjel frekvencia szabályozó áramkör (8) a mérőjel oszcillátorhoz (7) egy további kapcsolón keresztül csatlakozik.