НТЛ ЭлИн > iButton Data Loggers >Апории >A.2 Каковы принципы преобразования температуры и относительной влажности в устройстве DS1923?

A.2 Каковы принципы преобразования температуры и относительной влажности в устройстве DS1923?

Принцип работы узла преобразования температуры, реализованного в составе полупроводниковых кристаллов любого из регистраторов семейства iBDL, в том числе и устройства ГИГРОХРОН, аналогичен принципу, заложенному в основу работы большинства популярных во всем мире интегральных цифровых термометров, выпускаемых Analog Devices. При этом обеспечивается прямое преобразование температуры в код, без использования какого-либо промежуточного АЦП. Эта операция реализуется благодаря сравнению частоты импульсов на выходах двух генераторов - одного термостабильного и другого, выходной сигнал с которого имеет сильную зависимость от температуры. Термозависимый генератор совместно со специальной схемой счетчика окна формируют временной интервал, в течение которого производится счет импульсов, поступающих от термостабильного генератора. С ростом температуры величина этого интервала растет. Процесс преобразования температуры начинается с того, что схема начальной установки записывает в счетчик и счетный регистр узла преобразования температуры значение, соответствующее нижней величине температурного диапазона (-40°С для DS1923), и запускает термозависимый генератор. Затем импульсы термостабильного генератора начинают вычитаться из значения, записанного в счетчик. Если содержимое счетчика достигает нуля перед тем, как закончится временной интервал, а это означает, что измеряемая температура выше ‑40°C, то счетный регистр инкрементируется. Затем схема коррекции наклона записывает в счетчик новое начальное значение на единицу меньшее предыдущего (т.е. -39,5°С для DS1923), работа схемы продолжается, и если содержимое счетчика опять достигает нуля, когда интервал еще не закончен, процесс повторяется снова. Так как зависимость временного интервала, формируемого термозависимым генератором, от температуры нелинейная, то схема коррекции наклона записывает в счетчик каждый раз новые значения, соответствующие конкретной температуре. Таблица этих значений сформирована на стадии изготовления логгера и хранится в отдельном сегменте его внутреннего ПЗУ. Использование такой встроенной калибровочной таблицы позволяет получить высокую точность измерений во всем диапазоне рабочих температур. Работа схемы продолжается до появления сигнала "Конец счета", сформированного термозависимым генератором. К этому моменту в регистре температуры уже хранятся 8 старших разрядов значения температуры. Если на стадии программирования логгера выбрана опция работы с 8-разрядными данными, на этом процедура температурного преобразования заканчивается. Однако если устройство реализует опцию регистрации данных с высоким разрешением, узлом преобразования температуры отрабатывается дополнительная операция. Она заключается в том, что из схемы коррекции наклона считывается начальное значение счетчика, соответствующее последнему значению измеряемой температуры, а из счетчика считывается величина остатка на момент окончания счета. По отношению величины остатка к начальному значению счетчика вычисляются младшие разряды результата преобразования температуры. Эту операцию производит специальная схема вычисления младших разрядов. Полный цикл 8‑разрядного преобразования температуры занимает не более 70 мс, а 11-разрядного преобразования температуры - не более 550 мс. За это время в первом случае формируется 8-разрядный двоичный код результата измерения температуры, младший значащий разряд которого соответствует температуре 0,5°С. Во втором случае формируется 11-разрядный двоичный код результата измерения температуры, младший значащий разряд которого соответствует температуре 0,0625°С.

В качестве чувствительного элемента относительной влажности в составе регистраторов DS1923 применяется интегральный вариант датчика семейства HIH-36## (в настоящее время это семейство обозначается HIH-46##), поставляемого фирмой Honeywell. Поэтому все рабочие характеристики и особенности эксплуатации датчиков HIH-36## могут быть в полной мере отнесены к чувствительному элементу относительной влажности, используемому в составе устройства ГИГРОХРОН. Основой конструкции любого из таких сенсоров является трехслойная конденсаторная структура с платиновыми электродами и специальным термореактивным полимерным изолятором между ними. Не связанный непосредственно с подложкой электрод имеет специальные поры. Через эти поры и благодаря конструктивной негерметичности корпуса датчика достигается равновесное содержание воды в окружающем газе и межэлектродном пространстве. Для защиты чувствительного элемента от загрязнения поверхность пористого электрода закрыта защитным влагопроницаемым термореактивным полимерным слоем. Конструкция датчика также включает специально созданную на его кремниевой подложке интегральную схему формирования выходного сигнала. Лазерная подгонка элементов этой схемы обеспечивает высокую точность преобразования уровня относительной влажности в электрический сигнал, который затем преобразуется в цифровой код отдельным узлом АЦП поразрядного уравновешивания, входящим в состав схемы устройства ГИГРОХРОН. Однако выходной сигнал чувствительного элемента DS1923, как и сигнал любого из датчиков относительной влажности абсорбционного типа (емкостных, тонкопленочных, на основе объемного сопротивления и.т.д.), подвержен влиянию температуры. Поэтому для обеспечения высокой точности измерения в широком диапазоне температур необходимо применение специальных алгоритмов температурной компенсации характеристики преобразования. При этом данные, поступившие от устройства ГИГРОХРОН, должны быть в обязательном порядке скорректированы в соответствии со значениями температуры окружающей среды, зафиксированными узлом встроенного термометра этого же регистратора.
Конденсация и последующее испарение воды не оказывают существенного влияния на функцию преобразования чувствительного элемента регистратора DS1923, особенно с учетом того, что он защищен специальным водонепроницаемым гидрофобным фильтром. Однако после длительного (более 24 ч) выдерживания регистраторов при влажности свыше 98%RH иногда наблюдается сдвиг реальной функции преобразования относительно номинальной на 2%...3%. Поскольку нормируемая погрешность самого устройства ГИГРОХРОН составляет 5%RH, в такой ситуации возможны любые показания, однако, как правило, завышенные с залипанием верхнего предела на величине 100%RH. Для устранения этого сдвига достаточно выдержать ГИГРОХРОН при влажности 10%RH в течение 10 ч.
По этой же причине, при высоких значениях относительной влажности (более 95%) также возможны ситуации, когда незначительное локальное понижение температуры вблизи устройства вызывает почти мгновенную конденсацию паров воды на поверхности фильтра. Обратный же процесс испарения в этих условиях занимает весьма значительное время. Поэтому для чувствительного элемента регистратора DS1923, при выбранной высокой скорости регистрации, характерно длительное "залипание" показаний на уровне 100% RH, даже если он перемещен затем в среду с меньшим значением относительной влажности. Для устранения этого недостатка, в тех случаях, когда необходим непрерывный контроль высоких значений влажности, рекомендуется обеспечивать хорошее перемешивание окружающего регистратор воздуха, что исключит локальные температурные флуктуации.
Следует отметить, что чувствительный элемент устройства ГИГРОХРОН обладает весьма высокой устойчивостью к воздействию химических веществ. Так, на него практически не оказывают воздействия пары формальдегида, бензина, толуола, перекиси водорода. Однако для максимальной долговременной стабильности показаний регистратор все-таки не следует подвергать воздействию органических растворителей, коррозийных веществ (сильных кислот, SO2, H2SO4, Cl2, HCl, H2S и т.п.) и смесей с уровнем кислотности Ph>7. Кроме того, длительное (свыше нескольких десятков часов) воздействие паров ацетона или этанола приводит к полному отказу преобразователя.