TRASDUTTORI DI UMIDITA. II trasduttore di umidità (capacitivo)

Transcript

1 lez. 3 TASDUTTOI DI UMIDITA I traduttori di umidità rilevano l'umidità relativa definita come il rapporto tra l'umidità aoluta(quantità di vapore acqueo (maa) contenuta in m 3 d aria) e l umidità di aturazione (quantità di vapore acqueo maimo contenuto in un metro cuo di aria prima della condena): In formule i ha: U a U % = 00 U Il rilievo dell'umidità relativa aa il principio di funzionamento ulla variazione di alcune grandezze grandezze elettriche che ono, generalmente la capacità e la reitenza dando luogo,ripettivamente, ai enori di umidità capacitivi e reitivi. In commercio i trovano enori a variazione di reitenza e a variazione di capacità. at II traduttore di umidità (capacitivo) ll traduttore di umidità capacitivo é realizzato con materiale igrocopico la cui cotante dielettrica relativa ε dipende dal valore dell'umidità relativa. Le facce del dielettrico, cotituito da un polimero termoplatico( ε dipende dall umidità relativa) ono ricoperte da un ottile trato di oro e protette da un involucro platico forato. Sulle armature del condenatore coì formato ono aldati i due reofori. La capacità del enore è C S = C 0 + C dove C 0 é una capacità fia riferita all'aria ecca (U% = 0%) e C è la variazione di capacità dovuta alla variazione dì umidità relativa. Umidità relativa Capacità C [pf] 0, ,0 5,5 30 8,0 40 0,8 50 4, 60 7,8 70 3, , , ,0 pag. di 5

2 lez. 3 Se facciamo riferimento ad un enore indutriale della Philip Elcoma le caratteritiche ono le eguenti: tenione maima di alimentazione 5V. range di umidità variaile dal 0% al 90%. campo di temperatura da 0 C a 60 C. capacità nominale C=pF con (U = 43% alla T=5 C e f=00khz). tipo di ripota lenta max<5 minuti. linearità contenuta. frequenza di funzionamento variaile tra Hz fino a MHz. Vediamo ora come i può utilizzare tale enore in un circuito di condizionamento. Poiché la grandezza elettrica che varia é la capacità, non poiamo penare di ottenere un egnale continuo che dipenda dalla umidità ma l informazione può eere inerita in un egnale che ocilli ad una determinata frequenza. Se i fa in modo che la frequenza di ocillazione dipenda dalla capacità il prolema é riolto. Ci viene in mente di uare un ocillatore che emetta un egnale periodico(tipo onda quadra). Dunque i utilizza un multiviratore ataile realizzato o con operazionali o con il olito multiviratore 555. A valle dell ocillatore i può prediporre un convertitore frequenza tenione. Facciamo dunque queta coa. Il enore di umidità può eere inerito in un multiviratore ataile per generare un onda quadra la cui frequenza diminuice all aumentare dell umidità econdo una relazione che dipende dal tipo di ocillatore ataile impiegato. Con riferimento al traduttore della Philip inerito all interno di un ataile realizzato con un 555 i ha il eguente chema di condizionamento: Utilizzando la relazione che fornice la frequenza di ocillazione in funzione della capacità C S i ha l ultima colonna delle frequenze. Se pongo a =0K Ω ed =, M Ω i ha un duty cycle circa il 50%. I valori teorici di frequenza calcolati uando la relazione ono riportati nell ultima colonna. pag. di 5

3 lez. 3 icordiamo la truttura del timer 555 per completezza anche e dovrete già conocerlo molto ene. Le tre reitenze da 5K Ω impongono tenioni fie pari a /3 Vcc e /3Vcc ripettivamente ui due piedini invertente e non invertente dei comparatori e ripettivamente. pag.3 di 5

4 Funzionamento: Appunti redatti dal Prof. Ing. Antonio Pontillo lez. 3 cominazione. Se accade che la tenione V all ingreo di trigger é inferiore ad /3 Vcc e contemporaneamente la tenione V 6 all ingreo di oglia é inferiore a /3Vcc =0 e S= per cui Q =0 l ucita é alta e il BJT è interdetto. cominazione: e V é maggiore di /3Vcc e e V 6 é maggiore di /3Vcc allora = e S=0. Di coneguenza Q = per cui l ucita é aa ed il BJT é in aturazione con ucita aa. 3 cominazione Se la tenione V >/3Vcc e V 6 </3Vcc allora S==0 (ao) per cui i rimane nello tato precedente. Queta condizione non produce effetti, laciando il timer nella condizione precedente. Lo chema di ataile preenta un ramo temporizzatore cotituito da a, e C al quale ono collegati gli ingrei e 6 in modo che le tenioni di trigger V e V 6 di oglia iano uguali alla tenione V c preente ai capi del condenatore.il pin 7 di carica è collegato nella poizione intermedia tra a e. Il pin di controllo 5 é collegato a maa tramite il condenatore da 0 nf in modo che i dituri captati dal terminale 5 vengono cortocircuitati a maa e non alterino il funzionamento dell integrato. Lo chema è il eguente e i grafici v c =f(t) e v 0 =g(t) ono riportati a detra. Quando il multiviratore viene acceo il condenatore é carico V c =0 e di coneguenza le tenioni di trigger e di oglia ono inferiori ad /3Vcc (V =V 6 =V c =0V). =0 e S= Q =0 per l ucita é alta ed il Bjt é interdetto. Il condenatore i carica con una cotante di tempo τ =(a+)c. Quando la tenione ul condenatore Vc raggiunge i /3Vcc i attiva l ingreo di oglia che porta il = ed il S=0 e quindi Q = e l ucita V 0 aa ed il BJT in aturazione. Il condenatore comincia a caricari con legge eponenziale e cotante di tempo τ = C fino a quando la tenione ul condenatore arriva ad /3Vcc In tal cao il flip flop i etta per S= e =0 e Q = 0 con coneguente variazione dell ucita allo tato alto e interdizione del BJT. Il condenatore ricomincia a caricari con cotante di tempo τ = ( a + ) C ed il ciclo i ripete. Si dimotra che T = 0, 7 C e T = ( a + ) C. Se a << il duty cycle é circa il 50% poco più. Concludendo Il circuito di condizionamento può eere compoto da un ocillatore nella configurazione di ataile per la converione umidità relativa frequenza, da un convertitore frequenza tenione e da un amplificatore per trumentazione con regolazione dell offet. pag.4 di 5

5 lez. 3 E chiaro che la celta dell ataile con 555 è una delle poiili celte. In alternativa i può eniimo uare l ataile realizzato con operazionale come in figura. In tal cao il periodo T=T =T i eprime nel eguente modo rapporto di partizione β = ha = 0, 5 + per cui la frequenza 0, 5 0, 5 β per cui ln = ln = ln( 3 ) =, + 0, 5, 5 f =, C C = f ( U %). β T = = C S ln dove β é il f + β f =.Nel cao in cui = i β C ln + β per cui la formula i pecializza nella relazione che può eere facilmente uata per calcolare la frequenza quando C varia eendo Per quanto concerne invece il convertitore frequenza tenione la celta ricade eenzialmente u convertitori integrati. Nell eempio di progetto che faremo ceglieremo un convertitore che fornice un legame di tipo lineare tra la frequenza e la tenione di ucita. pag.5 di 5