SU1722299A1

SU1722299A1 - Device for measuring temperature, relative humidity and illuminance

Info

Publication number: SU1722299A1
Application number: SU904785861A
Authority: SU
Inventors: Александр Федорович Алейников
Priority date: 1990-01-23
Filing date: 1990-01-23
Publication date: 1992-03-30

Abstract

Изобретение относитс к сельскому хоз йству , а именно к универсальным средствам измерени физических параметров. Цель изобретени - расширение функциональных возможностей. Она достигаетс тем, что чувствительный элемент 1, выполнен в виде напыленного на подложку 2 структуры Ti - ТЮ2 - Аи и работает как фотоэлемент или измен ет свои свойства при изменении влажности. Изменение освещенности приводит к генерации посто нного напр жени , которое регистрируетс как и другие параметры на цифровом индикаторе 32.The invention relates to agriculture, namely to universal means for measuring physical parameters. The purpose of the invention is to expand the functionality. It is achieved by the fact that the sensing element 1 is made in the form of a Ti-TiO2-Au structure deposited on a substrate 2 and functions as a photocell or changes its properties with a change in humidity. A change in illumination leads to the generation of a constant voltage, which is recorded as other parameters on the digital indicator 32.

Description

Изобретение относитс к сельскому хоз йству , в частности к устройствам контрол параметров вегетационных климатических установок или фитотронам малого объема.The invention relates to agriculture, in particular, to devices for monitoring the parameters of growing climatic installations or to small volume phytotrons.

Известно устройство дл измерени параметров внешней среды и физиологических функций растений в микрофитбтронах, содержащее набор датчиков температуры и измерительного блока, позвол ющее определить температуру воздуха (листьев, стеблей , корней), относительную влажность воздуха и скорость транспирационного потока по стеблю.A device is known for measuring environmental parameters and physiological functions of plants in microfibtrons, which contains a set of temperature sensors and a measuring unit, which allows to determine the air temperature (leaves, stems, roots), relative air humidity and the rate of transpiration flow through the stem.

Однако, данное устройство не позвол ет получить информацию о нескольких измер емых величинах с малых по объему участков объекта исследований и преп тствует дальнейшей миниатюризации фитотро- нов и различного рода климатических установок.However, this device does not allow obtaining information on several measurable quantities from small areas of the object of research and prevents further miniaturization of phytotrons and various climatic installations.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению вл етс устройство дл измерени температуры иThe closest in technical essence to the proposed solution is a device for measuring temperature and

влажности воздуха, содержащее многофункциональный датчик, выполненный в виде плода растени , ости которого механически св заны с индуктивным преобразователем, и измерительный блок, состо щий из мостовой измерительной схемы посто нного тока , выход которой соединен с входом первого усилител посто нного тока, генератор переменного тока, усилитель переменного тока, выход которого подключен к входу выпр мител , блок управлени , первый вход которого соединен с установочным входом аналого-цифрового преобразовател , выход которого подключен к входу цифрового индикатора. Несмотр на то, что в устройстве дл измерени двух величин«ис- пользован один многофункциональный датчик - конструктив, он не может быть выполнен достаточно миниатюрным, так как датчик нельз выполнить на основе современных технологических методов производства с использованием интегральной технологии. Это св зано в первую очередь сair humidity, containing a multifunctional sensor made in the form of a plant fruit, the bones of which are mechanically connected to an inductive transducer, and a measuring unit consisting of a bridge DC measuring circuit, the output of which is connected to the input of the first DC amplifier, alternator , AC amplifier, the output of which is connected to the rectifier input, the control unit, the first input of which is connected to the installation input of the analog-digital converter, the output of which is Linked to digital input. Despite the fact that the device for measuring two quantities uses a single multifunctional sensor, a constructive device, it cannot be made miniature enough, since the sensor cannot be made on the basis of modern technological production methods using integrated technology. This is primarily due to

ю ю hoyoo ho

трудностью изготовлени индуктивного преобразовател в микроэлектронном исполнении . Наличие в датчике проволочного элемента - индуктивного преобразовател , механических подвижных узлов снижает на- дежность устройства в целом. Далее при исследовании растений в микрофитотронах (с использованием известного устройства) при условии воздействи электромагнитных полей погрешность измерени влажности увеличиваетс , так как параметры индуктивного преобразовател измен ютс . Устройство требует специальной индивидуальной градуировки и поверки, так как чувствитель- ные элементы (плоды растений) трудно идентифицировать вследствие того, что их параметры из-за видовых и других различий могут резко отличатьс друг от друга. Устройство обладает неширокими функциональными возможност ми, так как не позвол ет регистрировать освещенность в фитокамере. Получение информации о видимом излучении - фотосинтетически активной радиации (ФАР) крайне важно при исследовании растений, так как под его дей- ствием образуетс основна масса растительной продукции. Энерги ФАР вл етс необходимым условием существовани и нормальной жизнеде тельности растений, помещенных в фитотрон.the difficulty of manufacturing an inductive converter in the microelectronic version. The presence of a wire element in the sensor - an inductive transducer, mechanical moving parts reduces the reliability of the device as a whole. Further, when examining plants in microphytotrons (using a known device) under the condition of exposure to electromagnetic fields, the error in measuring humidity increases as the parameters of the inductive converter change. The device requires special individual calibration and verification, since sensitive elements (fruits of plants) are difficult to identify due to the fact that their parameters, due to specific and other differences, can differ sharply from each other. The device has a narrow functionality because it does not allow recording the illumination in the phytochamber. Obtaining information about visible radiation — photosynthetically active radiation (PAR) —is extremely important in the study of plants, since under its action the bulk of plant production is formed. The energy of the HEADLIGHTS is a necessary condition for the existence and normal viability of plants placed in the phytotron.

Цель изобретени - расширение функциональных возможностей устройства.The purpose of the invention is to expand the functionality of the device.

На чертеже приведена структурна схема предлагаемого устройства.The drawing shows a block diagram of the proposed device.

Устройство содержит чувствительный элемент 1, представл ющий собой фотоэлемент структуры металл - диэлектрик - металл в виде пленочного конденсатора, состо щего из подложки 2, обкладки 3, диэлектрика 4, обкладки 5 с контактными пло- щадками 6 и 7 и выводами 8-10, и измерительный блок, состо щий из первого электронного коммутатора 11 с ключевыми элементами 12-16, второго электронного коммутатора 17 с ключевыми элементами 18-20, первого 21 и второго 22 усилителей посто нного тока, мостовой измерительной схемы 23 посто нного тока с резисторами 24-26 и источником 27 посто нного тока, генератора 28 переменного тока, усилител 29 переменного тока, выпр мител 30, аналого-цифрового преобразовател 31, цифрового индикатора 32 и блока 33 управлени .The device contains a sensitive element 1, which is a metal-dielectric-metal structure metal cell in the form of a film capacitor consisting of a substrate 2, a plate 3, a dielectric 4, a plate 5 with contact pads 6 and 7 and pins 8-10, and the measuring unit, consisting of the first electronic switch 11 with the key elements 12-16, the second electronic switch 17 with the key elements 18-20, the first 21 and second 22 amplifiers of direct current, the bridge measuring circuit 23 of direct current with resistors 24-26 and source com 27 DC generator 28, the AC amplifier 29, AC, rectifier 30, an analog-digital converter 31, digital display 32 and the control unit 33.

Элемент 1 может быть выполнен, на- пример, путем вакуумного последовательного напылени на подложку 2 из ситалла структуры Ti - TiOa - Аи (титан - двуокись титана - золото), при этом обкладка 3 выполн етс из титана, диэлектрик 4 - из окисиElement 1 can be made, for example, by vacuum successive sputtering onto a substrate 2 of a sitall of the Ti — TiOa — Au structure (titanium — titanium dioxide — gold), while the facing 3 is made of titanium, the dielectric 4 — of oxide

титана, втора обкладка 5 - из золота. Обкладка 5 выполнена в виде меандра и представл ет собой пленочный термометр сопротивлени , на которой нанесены две контактные площадки 6 и 7, к которым методом компрессионной сварки приварены выводы 8 и 9 из золота. Обкладка.3 также может содержать контактную площадку, к которой приварен вывод 10.titanium, second facing 5 - of gold. The lining 5 is made in the form of a meander and is a film thermometer of resistance, on which two contact pads 6 and 7 are applied, to which conclusions 8 and 9 of gold are welded by compression welding. The plate 3 may also contain a contact pad, to which output 10 is welded.

Работает устройство следующим образом .The device works as follows.

Ввиду того, что обкладки 5 выполнены в виде пленочного термометра сопротивлени , то в зависимости от изменени температуры мен етс активное сопротивление этого термометра (выводы 8 и 9). При измерении относительной влажности воздуха влага сорбируетс диэлектриком 4, так как он имеет микропоры, при этом диэлектрические свойства его измен ютс , а следовательно , измен етс его проводимость между обкладками 3 и 5 (выводы 8 и 10). Т.е. при измерении влажности чувствительный элемент 1 представл ет собой емкостный микроэлектронный датчик влажности на основе окислов металлов. При измерении искусственной освещенности чувствительный элемент 1 работает как фотоэлемент, так как в системе металл - диэлектрик - металл возникает фотоэффект, который находит объ снение в том, что фотоэлектроны возбуждаютс в металлических электродах. Так как длина волны поглощени гор чих электронов мала, создающие фотоэффект электроны возбуждаютс у поверхности раздела металла с окислом. После возбуждени электроны проникают в диэлектрик через трапецеидальный барьер, образующийс в системе металл - диэлектрик - металл . Таким образом, при воздействии электромагнитного излучени (видима часть спектра) на обкладках чувствительного элемента 1 (выводы 10 и 8) возникает ЭДС.Due to the fact that the plates 5 are made in the form of a film thermometer of resistance, the resistance of this thermometer varies depending on the temperature change (conclusions 8 and 9). When measuring the relative humidity of air, moisture is sorbed by dielectric 4, since it has micropores, its dielectric properties change, and consequently, its conductivity changes between plates 3 and 5 (pins 8 and 10). Those. When measuring humidity, the sensing element 1 is a capacitive microelectronic humidity sensor based on metal oxides. When measuring artificial light, the sensing element 1 works as a photocell, since a photoelectric effect occurs in the metal – dielectric – metal system, which is explained by the fact that photoelectrons are excited in metal electrodes. Since the absorption wavelength of hot electrons is small, the electrons producing the photoelectric effect are excited at the interface between the metal and the oxide. After excitation, the electrons penetrate the dielectric through the trapezoidal barrier formed in the metal – dielectric – metal system. Thus, when exposed to electromagnetic radiation (visible part of the spectrum) on the plates of the sensitive element 1 (pins 10 and 8) EMF occurs.

Процесс измерени физических величин разбит на несколько тактов. В первый такт по команде блока 33 ключевые элементы 13 и 14 первого коммутатора 11 и ключевой элемент 19 второго коммутатора 17 устанавливаютс в положение замкнуто, остальные ключевые элементы коммутаторов 11 и 17 - в положение разомкнуто, АЦП 31 устанавливаетс в исходное состо ние. Обкладка 5 подключаетс к мостовой измерительной схеме 23 и на ее измерительной диагонали возникает напр жение, несущее информацию о измер емой температуре. Начальное сопротивление термометра выбираетс таким, что остаточное сопротивление ключевых элементов 13 и 14 первогоThe process of measuring physical quantities is divided into several cycles. In the first cycle, at the command of the block 33, the key elements 13 and 14 of the first switch 11 and the key element 19 of the second switch 17 are set to the closed position, the remaining key elements of the switches 11 and 17 are open, the ADC 31 is reset. The plate 5 is connected to the bridge measuring circuit 23 and a voltage arises on its measuring diagonal, carrying information about the measured temperature. The initial resistance of the thermometer is chosen such that the residual resistance of the key elements 13 and 14 of the first

коммутатора 11 не оказывает вли ни на погрешность измерени температуры. Напр жение с измерительной диагонали усиливаетс первым усилителем 21, который выполн ет и функцию нормировани передаточной характеристики канала измерени температуры (в соответствии с прин той шкалой измерений температуры, например Цельси ), а при необходимости и функцию линеаризации этой характеристики. С выхода усилител 21 через нормально замкнутый ключевой элемент 19 напр жение поступает на информационный вход АЦП 31, который преобразовывает это посто нное напр жение в цифровой код и информаци о температуре отображаетс на цифровом индикаторе 32. Во второй такт производитс измерение влажности воздуха, при этом ключевые элементы 12 и 15 первого коммутатора 11 и ключевой элемент 18 второго коммутатора 17 устанавливаетс в положение замкнуто, остальные ключевые элементы - в положение разомкнуто, АЦП 31 устанавливаетс в исходное состо ние, информаци о измер емой температуре сбрасываетс . В данном случае структура чувствительного элемента 1 выступает в качестве чувствительного элемента влажности (3-4-5), т.е. на диэлектрик 4 через обкладки 3 и 5 подаетс переменный ток с генератора 28, молекулы воды абсорбируютс гигроскопным диэлектриком 4, вызыва изменение его диэлектрических характеристик и соответственно его проводимости . Ввиду того, что на диэлектрик подаетс стабильный электрический сигнал (ток), падение напр жени на выводах 8 и 10, несет информацию о изменении относительной влажности воздуха. Это падение напр жени усиливаетс усилителем 29, который может содержать элементы компенсации начальной составл ющей входного напр жени , дл обеспечени нулевого сигнала при прин той нулевой влажности. Выходное переменное напр жение, пронормированное в соответствии с шкалой измерени влажности, преобразовываетс с помощью выпр мител 30 в посто нное напр жение и через нормально замкнутый ключевой элемент 18 второго коммутатора 17 поступает на информационный вход АЦП 31, где преобразовываетс в цифровой код и информаци о измер емой относительной влажности воздуха отображаетс на цифровом индикаторе 32. Нормирующий усилитель 29 также может проводить операцию линеаризации передаточной характеристики канала измерени влажности. Следует заметить, что при измерении влажности на обкладках 3 и 5 чувствительного элементаthe switch 11 does not affect the temperature measurement error. The voltage from the measuring diagonal is amplified by the first amplifier 21, which also performs the function of normalizing the transfer characteristic of the temperature measurement channel (according to the accepted scale of temperature measurements, for example, Celsius), and, if necessary, the function of linearizing this characteristic. From the output of amplifier 21, through a normally closed key element 19, the voltage is fed to the information input of the A / D converter 31, which converts this constant voltage to a digital code and temperature information is displayed on a digital indicator 32. In the second cycle, the air humidity is measured. elements 12 and 15 of the first switch 11 and the key element 18 of the second switch 17 is set to the closed position, the remaining key elements are open, the ADC 31 is reset The measured temperature information is reset. In this case, the structure of the sensitive element 1 acts as a sensitive element of humidity (3-4-5), i.e. Dielectric 4 through plates 3 and 5 is supplied with alternating current from generator 28, water molecules are absorbed by hygroscopic dielectric 4, causing a change in its dielectric characteristics and, accordingly, its conductivity. Since a stable electrical signal (current) is applied to the dielectric, the voltage drop across pins 8 and 10 carries information about the change in relative humidity. This voltage drop is amplified by amplifier 29, which may contain elements of compensating for the initial component of the input voltage, to provide a zero signal when zero humidity is received. The output alternating voltage, normalized according to the humidity measurement scale, is converted by rectifier 30 to constant voltage and through the normally closed key element 18 of the second switch 17 is fed to the information input of the A / D converter 31, where it is converted into a digital code and measured information The relative humidity of the air is displayed on the digital indicator 32. The normalizing amplifier 29 can also carry out the operation of linearizing the transfer characteristic of the humidity measurement channel. It should be noted that when measuring the humidity on the plates 3 and 5 of the sensitive element

возникает паразитное медленно мен ющее напр жение от воздействи третьей измер емой величины освещенности (или упругого электромагнитного излучени оптического диапазона), Чтобы данное напр жение не оказывало вли ние на процесс измерени влажности, примен ютс известные приемы, например на входе усилител 29 устанавливают узкополосный фильтр,A parasitic, slow-varying voltage arises from the effect of a third measured light value (or elastic electromagnetic radiation in the optical range). To prevent this voltage from affecting the humidity measurement process, well-known techniques are used, for example, a narrow-band filter is installed at the input of amplifier 29,

0 настроенный на частоту генератора 28.0 tuned to oscillator frequency 28.

В третий такт производитс измерение освещенности, при этом АЦП 31 устанавливаетс в исходное состо ние, ключевые элементы 16 и 15 первого коммутатора 11 иIn the third cycle, an illumination measurement is made, the ADC 31 is reset, the key elements 16 and 15 of the first switch 11 and

5 ключевой элемент 20 второго коммутатора 17 устанавливаютс в положение замкнуто, остальные ключевые элементы коммутаторов 11 и 17 - в положение разомкнуто. Выходной сигнал с обкладок 3 и 55, the key element 20 of the second switch 17 is set to the closed position, the remaining key elements of the switches 11 and 17 are set to the open position. Output signal from plates 3 and 5

0 чувствительного элемента 1 (выводы 8 и 10) усиливаетс вторым усилителем 22, который также выполн ет функцию нормировани передаточной характеристики канала измерени освещенности и при необходимости0 of the sensing element 1 (pins 8 and 10) is amplified by the second amplifier 22, which also performs the function of normalizing the transmission characteristic of the luminance measurement channel and, if necessary,

5 операцию линеаризации этой характеристики . Напр жение, несущее информацию об освещенности, с выхода усилител 22 через нормально замкнутый ключевой элемент 20 второго коммутатора 17 поступает5 operation of linearization of this characteristic. The voltage carrying information about the illumination from the output of the amplifier 22 through a normally closed key element 20 of the second switch 17 enters

0 на вход АЦП 31, где преобразовываетс в цифровой код, и информаци о уровне освещенности отображаетс на цифровом индикаторе 32. В данном такте чувствительный элемент 1 выступает в качестве источника,0 to the input of the A / D converter 31, where it is converted into a digital code, and the information about the level of illumination is displayed on the digital indicator 32. In this cycle, the sensitive element 1 acts as a source,

5 напр жение которого измен етс от изменени освещенности. При изменении влажности измен етс внутреннее сопротивление источника (проводимость диэлектрика 4), поэтому, чтобы на процесс5, the voltage of which varies with changes in illumination. When the humidity changes, the internal resistance of the source (dielectric conductivity 4) changes, therefore, to

0 измерени освещенности не оказывали вли ние возможные вариации влажности, входное сопротивление усилител 22 выбираетс большим. Далее все такты измерени повтор ютс . В случае, если динами5 ческие характеристики практически реализованного датчика при измерении влажности не удовлетвор ют заданным требовани м , не исключено использование термометра сопротивлени в качестве подо0 гревател дл интенсивного испарени влаги в промежутках между измерени ми. Это может осуществл тьс с помощью извест- . ных приемов, например подключением термометра к источнику переменного тока и0, the illumination measurements did not affect the possible variations in humidity, the input resistance of the amplifier 22 is chosen large. Further, all measurement cycles are repeated. If the dynamic characteristics of a practically realized sensor in measuring humidity do not satisfy the specified requirements, the use of a resistance thermometer as a heater for intensive evaporation of moisture in the intervals between measurements is not excluded. This can be accomplished with the help of limestone. techniques, for example, by connecting a thermometer to an AC power source and

5 т.п.5 etc

Таким образом, устройство имеет меньшие габаритные размеры и более высокую надежность работы. Более простое выполнение устройства позвол ет измер ть три физические величины, а все это расшир етThus, the device has smaller overall dimensions and higher reliability of operation. A simpler implementation of the device allows three physical quantities to be measured, and all this expands

функциональные возможности устройства в целом.the functionality of the device as a whole.

Claims

Apparatus of the Invention A device for measuring temperature, relative humidity and illumination, comprising a sensing element and a measuring unit including a bridged DC measuring circuit, the output of which is connected to the input of a first DC amplifier, an alternator, an AC amplifier whose output connected to the input of the rectifier, the control unit, the first input of which is connected to the installation input of the analog-digital converter, the output of which is connected to the input of the digital converter a dicator, characterized in that, in order to expand the functionality, the sensitive element is in the form of a film capacitor

(metal-dielectric-metal structures), one of the plates of which has two terminals, and the measuring unit is equipped with the first and second switches, the second DC amplifier, and the terminals are connected to the switching inputs of the first switch, the switching outputs of which are connected respectively to the bridge measuring inputs AC power amplifier, the second DC amplifier and the alternator output, and the outputs of the rectifier, the first and second DC amplifiers are connected according to with the switching inputs of the second switch, the output of which is connected to the information input of the analog-digital converter, the second and third outputs of the control unit being connected to the control inputs of the first and second switches.

I 3 h