✍️ 📿 🐳 センサーとマイクロコントローラー。パート2.気候制御 🦃 🤴 🌪️

センサーについての話を続けましょう。このパートでは、DIYコミュニティで最も人気のあるさまざまなセンサーを検討します。これらは、多数の温度センサーと湿度センサーです。さらに、空気圧とガスの存在のセンサーに触れます。センサーの命名法について説明し、有用な文献を参照します。

内容

パート1.マット。 一部。 特定の測定パラメーターに関連付けられていないセンサーを考慮します。センサーの静的および動的特性が考慮されます。

パート2.気候制御センサー。 温度、湿度、圧力、およびガス組成センサーを使用する機能について説明します

パート3.電気量のセンサー。 その中で、電流と電圧の測定に触れます

5.温度センサー

温度制御自動化のプロジェクトは、温度センサーなしでは実行できません。その主なタスクは、室内空気、クーラント、揚げステーキ、溶融金属など、目的の物体の温度を正確に決定することです（気候制御では、そうです）。

5.1熱電対

ジェネレーター温度センサーは、材質が異なる2つの導体で、一端が互いにはんだ付けされています。

熱電対の主な利点は、温度範囲が広いことです。実際、絶対零度と金属の融点によって制限されています-つまり、そこで測定できます。他のセンサーは単純に無力です-摂氏-270度から+1800度以上。

熱電対は異なり、使用する材料の種類に応じて、動作温度の範囲が異なります。

その設計もアプリケーションに依存します。たとえば、私の母国の部門の研究室の1つでは、そのような200〜300 mmのドラム缶が横たわっていました。

図1抵抗炉用のタイプK熱電対

そして、ここにマルチメーターが付属している有名なKタイプ熱電対があります（私のコレクションの写真）：

図2：マルチメータ用のタイプK熱電対。

GOST R 8.585-2001には、次のタイプの熱電対とその組成、文字の指定、および動作範囲が記載されています（25度の熱電係数は括弧内に示されています）。

白金ロジウム-白金-TPP13-タイプR、範囲-50 +1600 C（9μV/ C）。
プラチナロジウムプラチナ-TPP10-タイプS、範囲-50 +1600 C（6μV/ C）。
プラチナロジウムプラチナロジウム-TPR-タイプB、範囲0 + 1800 C
鉄-コンスタンタン（鉄-銅-ニッケル）TLC-タイプJ、範囲-210 +1200 C（52μV/ C）
銅コンスタンタン（銅ニッケル）TMKn-タイプT、範囲-270 +400 C（41μV/ S）
nichrosil-nisil（ニッケル-クロム-ニッケル-シリコン）THN-タイプN、範囲+270 +1300 C（27μV/ C）
クロメル-アルメル--タイプK、範囲-270 +1372（41/）。
クロメルコンスタンタンTXKn-タイプE、範囲-270 +1000 C（61 mkV / S）。
chromel-kopel-THC-タイプL、範囲-200 +800
カッパーコペル-TMK-タイプM、範囲-200 +100 C
silkhilinovye-TSS-タイプI（GOSTには含まれず、Wikipediaで入手可能）
タングステンとレニウム-タングステン-レニウム-TBR-タイプA-1、A-2、A-3、範囲0 +1800、（A-1の場合は+2500）C.

それ自体は、高精度のセンサー（±0.01度までの精度）ですが、そのような精度を得るのは非常に困難です。

センサーは、1821年にドイツの物理学者Thomas Seebeckによって発見された熱電効果に基づいています。その本質は、閉じた電気回路を形成する2つの異種材料の接合部が異なる温度T1とT2を持っている場合、電流が回路に現れ、その方向は温度差の符号に依存するということです。

図3：熱電対。

しかし、ここでは最初の問題が発生します。EMFは温接点と冷接点の温度差に依存するため、冷接点の温度は、ホットエンドの温度を決定するために必要な精度で知る必要があります。

問題は、実際には、熱電対の測定システムへの接続点が2つの異なる金属の接合点でもあるという事実によって追加され、それ自体の誤差をもたらします。したがって、温度を等しくするために両方のコールドエンドを並べて配置し、別のセンサーで制御します。

図4：冷接点補償

この場合、絶対温度センサーによって冷接点の温度を絶対精度で測定したので、プログラムでそれを補正することができます。すぐに1つの絶対センサーを使用できないのはなぜですか？溶融金属の温度を測定できる別のセンサーを見せてください。

絶対センサーが手元にないが、それを測定する必要がある場合は、別の熱電対を取り、逆相で順次接続し、温度がわかっている環境（氷水など）に配置します。

図5：ハードウェアの冷接点補償

しかし、私の意見では、広く利用可能な正確な温度センサーの存在下で、絶え間ない監視を必要とする融解水のタンクを使用することは、技術的に少し進歩していません。そのため、ドキュメントには、サーモスタットで制御された冷接点のバリエーションがあり、正確なサーモスタットの助けを借りて設定温度が維持されます。

ところで、サーモスタットで制御された要素はそれほど珍しいものではありません。

たとえば、ソビエトの測定機器のヒヤシンス基準信号発生器は、高抵抗ワイヤに包まれた水晶振動子であり、特定の温度が維持されている小さなDeward容器に配置されています。その結果、周波数安定度は小数点以下7〜8桁に達します。

相対性理論の問題を整理しました。次に、熱電対から読み取り値を取得してみましょう。そして、ここでさらに2つの問題が待っています。

問題は回数です-熱電能はマイクロボルトで測定されます。たとえば、Kタイプの熱電対の場合、温度係数は41 µV /度です。これは、25の温度差があると、mVの匂いがすることを意味します。

最後の部分から、基準電圧3.3Vの12ビットADCの感度は800μVであることを思い出してください。つまり、私たちの場合、20度/目盛りです。ただし、良いエラーです。もちろん、熱電対の出力電圧の小さな動作範囲を考慮して、オペアンプに基づいてアンプを配置するか、ADC自体のゲインをオンにする必要があります。

ADCのデジタル化の精度、オペアンプとADCのアナログパスの固有ノイズなど、その他の問題が発生します。次の章では、S / N比を詳細に調べますが、ここでは、 Data Conversation Handbookの第2章を読んでください。

1つの真実に従います-高精度で低ノイズのオペアンプとADCを使用します。追加の文献のリストには、接続スキームのさまざまなオプションがあります。ただし、ほとんどの質量測定器で最も一般的な回路の1つは、サーミスタを使用しています。

図6：サーミスタを使用して冷接点温度を補正する

問題番号2-熱電対は非線形です。非線形性は次のとおりです。

図7：熱電対の非線形性

しかし、利点は誰もがこの非線形性を認識していることです。各弁護士の測定値は慎重にプレートに入力され、次の形式の多項式の正確な係数を計算します：

（1）

EMF値に基づいて温度を計算するには、逆も同様です。

（2）

GOST 8.585-2001では、各タイプの熱電対について、摂氏0度を基準とした温度の近似多項式に必要なすべての係数を注意深くリストしています。一般的なKタイプ熱電対の多項式係数のリストは次のとおりです。

図8：摂氏0〜500度の温度範囲でのタイプK熱電対の多項式のリスト

原則として、冷接点が未知の温度で空中にぶら下がっている場合、労働の最終値を計算することは難しくありません。誰がそれを必要としますか？

その結果、熱電対は、非常に高温または低温の物体を正確に測定するための最高のセンサーの1つです。

そして、私のお気に入りの子供向けの本であるWojciechowskiの「ラジオ電子玩具」では、例えばトランジスタラジオなどの電源として提案されている熱発電機の設計の説明を見つけることができます。そして、わずかに技術的に少しだけ進歩した同様の設計の火力発電機の火星では、Curiosityローバーに動力が与えられています-GeektimesにはRTGに関するレビュー投稿があります。

図9：0.6V 8mA熱電バッテリー

無意味で容赦ない練習の瞬間。

ATmega1280マイクロコントローラー上にデバッグボード、一対の熱電対があり、温度を正確に測定したいという要望があります。そして、私たちは成功しません。

コントローラのADCは10ビットで、最小基準電圧は1.1Vに設定できます。

その後、ADCの感度は次のようになります。

（3）

ADCアナログ入力により、最大200倍のゲインで差動モードで動作できます。確かに、このような増幅では、基準電圧はわずか2.56Vであり、有効なのは7ビットのみです。その後、ADCの感度は次のようになります。

（4）

これは、Kタイプの熱電対の感度（41μV）の約2.5倍です。すなわち、理論的には、測定経路の精度は±2.5度以下です。実際には、ノイズは私たちを妨げます。また、表31-8によると、データシールドは全体で+ -10文字です。つまり、最終的な精度は+ -25度よりも良くありません。へへ。熱電対への2メートルのワイヤ2本、アナログ電源の適切なフィルタリングの欠如、およびノイズの多いUSBからのシステム全体の電源の不足はまだ考慮されていません。テープを少なくとも±50度の角度に合わせてください。

割り込みで動作するプログラムを作成します（コメントの 1つについてスケッチしました）。 Arduino環境をブートローダーとして使用します。

図10：2つの熱電対、メガネ、ペーパークリップを使用した野外実験

ソースコード：

void setup() { autoadcsetup(); } void loop() { } float coeff[] = {0, 2.508388e1, 7.860106e-2, -2.503131e-1, 8.315270e-2, -1.228034e-2, 9.804036e-4, -4.413030e-5, 1.057734e-6, -1.052755e-8 }; void autoadcsetup(){ //set up TIMER0 to 61Hz //TIMER0_OVF will be the trigger for ADC /*normal mode, no prescaler 16MHz / 256 /1024 = 61 Hz*/ TCCR0B = (1 << CS02) | (1 << CS00);//timer frequency = clk/1024 //set ADC. ADMUX = (1 << MUX3) | (1 << MUX1)| (1 << MUX0) | (1 << REFS1)| (1 << REFS0);//10-bit mode, ADC9-ADC8 channel, Gain 200, 2.56V ref ADCSRA = (1 << ADEN) | (1 << ADATE) | (1 << ADIE) | (1 << ADPS2)| (1 << ADPS1)| (1 << ADPS0);//TUrn ADC On, trigger enable, Interrupt enable, sysclk/128=125kHz_ADC_clk=9.6kHz conv freq(13ticks per conversion) ADCSRB = (1<< ADTS2) | (1 << MUX5);//Auto trigger source //set UART to 8-n-1 1Mbod: UBRR0H = 0;//9600(use Examples of Baud Rate Setting table from datasheet) UBRR0L = 103;//9600 UCSR0B = (1<<TXEN0);//enable Transmitter UCSR0C = (3<<UCSZ00);//8-bit mode } int32_t result=0; float t=0; ISR(ADC_vect){ if( ( UCSR0A & (1<<UDRE0)) ){ //calc: t=0; result = (ADCH >>1)*2560/512;//calc voltage in mV float edc = static_cast<float>(result);//convert to float for (uint8_t i = 0; i < 10; i++){ t += coeff[i] * pow (edc, i); } UDR0 = static_cast<uint8_t>(t); } }

一方の熱電対の周りに水を沸騰させ、出口にもう一方の周りに氷を溶かしたガラスの場合、最初の2行の平均値が124度の連続したポリッジがあり、これは非常に良い結果です-+ -25度の精度を満たしていると仮定します。

図11：生データ出力

もちろん、このハックは実用上重要ではありません。熱電対を使用して温度を測定するには、より正確なADCを使用する必要があります。たとえば、ADuCM360マイクロコントローラには優れたADCが内蔵されており、このような小さな入力信号用に特別に設計されています。熱電対用の特殊な外部ADCがあります-たとえば、Maxim Integratedは熱電対用のいくつかのチップ-MAX31850、MAX31851、MAX31855、MAX31856を製造しています。ドライバーがあり、 Analog DevicesはADCに低ノイズのオペアンププリアンプを使用するための予算オプションを用意しています。 LMP2011で良い結果が得られました。

5.2抵抗温度計とサーミスタ

ご存じのように、金属の抵抗は周囲温度によって異なります。この効果は、抵抗温度計を使用して高精度（1000分の1度まで）の温度測定を実行するために使用されます。金属ではなく半導体で作られているため、サーミスタが手に入ります。

図12：Honeywell Platinum RTD

抵抗温度計を使用すると、-200〜850度のかなり広い温度範囲で作業できます。

抵抗温度計には2つの主な特性があります。

特定の温度でのベース抵抗。推奨-10、50、100、500、1000オーム...
ケルビン度あたりのプロプロミルの1000分の1単位の抵抗温度係数（ppm / K）。

抵抗の温度係数は、抵抗の相対変化と温度変化の比です。

（5）

したがって、サーミスタの現在の抵抗とそのTCSと公称温度を知ることで、現在の温度を計算できます。

（6）

抵抗温度計にはGOST R 8.625-2006があり、プラチナ（TKS = 0.00385および0.00391）、および銅（TKS 0.00428）およびニッケル（TKS 0.00617）の温度計が標準化されています。温度計の公称抵抗は0度での抵抗です。熱電対と同様に、抵抗温度計にはある程度の非線形性がありますが、多項式係数はGOSTで慎重に与えられます。ところで、熱電対よりもはるかに簡単です。

たとえば、TKS = 0.00385、測定範囲が-200〜0度のプラチナ温度計の場合、次の形式の方程式があります。

（7）

また、ビューの0〜850度の範囲の場合：

（8）

次の比率で：

（9）

最も人気のあるもののいくつかは、ハネウェルの700シリーズプラチナ参照温度計です。プラチナ温度計のコストは安くはありませんが、温度範囲とデバイスの精度に応じて5ドル以上からです。

抵抗はさまざまな方法で測定できます。最も簡単で推奨されるGOSTは、電圧源を備えた測定ブリッジです。一方、電流源に接続し、ADCの差動入力を使用すると、線形測定が得られます。

図13：2線式RTDのさまざまな配線方法

前部のコメントから同志ストロスを引用するには：

ブリッジは、並列に接続された2つの抵抗分割器と見なすことができます。そのうちの1つは、2番目の「基準電圧」を設定します。したがって、ブリッジを使用するときは、差動ADCで分圧器の電圧を、ゼロではなく特定のサポートに対して測定します。これは感度に良い影響を与えます。ADCをより大きなプリゲインに設定し、ADCの動作範囲が狭い抵抗範囲に対応するようにすることができます。

一方、入力信号の増幅モードでのADCは、富士山のトラクターから流れる孤独な流れのようなノイズを発生させるべきではありません

このセクションの付録には、RTD接続に関する多くの便利なリンクと、精度を向上させる方法があります。

金属抵抗温度計の問題の1つはTKSが低いことです。そのため、高感度の測定パスが必要です。しかし、これは建設的な問題にすぎません-非常に小さな電流や電圧とは異なり、高精度で抵抗を測定することは難しくありません。

高精度で十分な±1〜2度が必要ない場合は、TCSの数桁高い半導体サーミスタを使用できます。たとえば、NXPのKTY84シリーズサーミスタのTCS = 0.61です。一方、サーミスタの動作温度範囲は約-40 = 300度と小さくなっています。

そして、サーミスタははるかに非線形です。ただし、データボードでは、TCSの値とさまざまな温度値の公称抵抗が慎重に示されています。

図14：TCS、公称抵抗および温度の対応表

この表によれば、区分線形関数を作成し、それを使用して抵抗を決定することは難しくありません。

5.3リニアアナログコンバータ

図15：LM35DZリニアアナログセンサー

さらに統合されたソリューションに移りましょう。アナログ線形温度センサーチップを考えてみましょう。この超小型回路は電圧源に接続されており、10-20mV / Kの勾配で温度に線形に依存するアナログ信号出力を提供します。測定温度の範囲は、以前に提示されたセンサーよりもはるかに狭く、平均-40 + 125度です。シンプルな10ビットADCの感度は1mVであるため、このセンサーからの読み取り値を読み取るには十分です。

これらのセンサーのもう1つの有用な特性は、出力電圧が供給電圧に依存しないことです。供給電圧は大きく異なる場合があります。たとえば、National Semi LM35センサーの場合、供給電圧範囲は4-30Vです。センサーの精度は1〜2度です。これは、温度に対するセンサーの精度のグラフです。

図16：センサーの温度精度

このセンサーについてこれ以上言うことはないので、私たちは同意しません。

5.4デジタル温度センサー

その巨大な範囲の背後にあるデジタル温度センサーは、デジタルインターフェイスを介して温度測定値を完成した形で受信する機能を提供する便利な統合ソリューションを隠しています。

通常、デジタル温度センサーはSPIおよびI2Cインターフェイスを介して接続されます。私に関して言えば、温度センサーは低速デバイスであり、SPIを無駄にします。

例として、SHT10を組み合わせた温度と湿度センサーを考えてみましょう。

図17：SHT10センサーの一般的なビュー

図18：センサーの精度

しかし、このセンサーには妨害がないわけではありません-そのインターフェースは「最適化」されています。カウントしやすくするために入力します。また、I2Cデバイスとしてアドレス指定することはできません。

幸いなことに、センサーを使用すると、他のデバイスと自分自身を接続でき、プログラムで通信プロトコルを切り替えるだけで済みます。もう少し詳しく説明します。

コマンドの転送を開始するには、開始シーケンスを転送する必要があります。

図19：開始シーケンス

開始シーケンスの後、アドレスの0ビット（アドレス000のみがサポートされます）とコマンドの5ビットで構成されるコマンドバイトが送信されます。

図20：コマンドのリスト

温度または湿度を測定するコマンドを送信した後、測定ビット8、12、または14ビットに応じて、測定手順に20、80、または320ミリ秒かかります。測定プロセスが完了すると、センサーはDATAラインをゼロに引き込み、スリープ状態になります。コントローラーがこの信号を受信するとすぐに、SCKラインをクロックすることで、2バイトのデータと1バイトのチェックサム（アクティブになっている場合）を取得できます。各バイトの終わりに、コントローラーはグラウンドをゼロにプルする必要があります。データデータは、右側のプルで送信されます。つまり、14ビット値の場合、最上位データビットはSCKラインの5番目のティックにのみ表示されます。詳細については、データシートに送信してください。

温度センサーには線形特性があり、供給電圧と特性の傾きを考慮して、取得されたセンサー値が再計算されます。

図21：温度の計算

もちろん、通常のI2Cインターフェイスを備えた温度センサーがあります。たとえば、NXPのLM75Aです。

そのデータ読み取り図は、I2Cの基本原則に従います。

図22：LM75センサーからの温度データの読み取り

これは、分解能0.125℃の11ビットセンサーで、出力は特定のアドレスを持つ2つのデータレジスタに保存されます。アドレス1001XXXのデバイスのI2Cプログラムプロトコルコマンドを使用して（3つの最下位ビットがユーザーによって設定され、これらのセンサーの最大8つを同じバスに接続できます）、読み取りを開始するレジスタアドレスポインターを設定し、読み取りコマンドを使用して2つのレジスタを読み取ります。得られた符号値に0.125を掛けて、最終温度を摂氏で取得します。便利に。

5.5 DS18B20

図23：DS18B20デジタルセンサー

このセンサーには特別な注意が必要です。これは、動作範囲が-55 + 125℃の12ビット温度センサーで、1線式プロトコルを使用して接続されています。その主な利点は、これらのセンサーが1行に数十個の部品を掛けることができ、すべてが機能することです。センサーは非常に正確な±0.5度ですが、遅い-測定時間は750msです。

センサー内には9つのレジスタがあり、レジスタ0および1には測定温度の値が保存され、レジスタ2および3には汎用メモリとして使用でき、4つのレジスタには次の表に従って構成が保存されます。

図24：コンフィギュレーションレジスタへのビットの割り当て

レジスタメモリの9番目のバイトはCRCです。最初の8つのレジスタに基づいて、次の式に従って計算されます。

（10）

コマンドを実行して温度を計算するには、コマンド0x44を送信する必要があります。測定プロセスが完了すると、データは次の測定までレジスタメモリの最初の2バイトに格納されます。 0xBEコマンドを発行して9バイトのレジスタメモリデータを読み取る

一般に、このセンサーは非常に手頃な価格であり、長い通信回線を使用して特定のエリアをカバーするセンサーのネットワークを編成できます。たとえば、グリッドを使用して温室にセンサーを配置し、温室内の温度勾配を制御できます。

5.6 IR温度センサー

このレビューは、非接触IR温度センサーなしでは完了しません。 CC3200-launchxlボードについて話したとき、さりげなく言及しました-そのようなセンサーはそこにインストールされています。

図25：IR熱センサー

これらのセンサーは薄いプレートで構成されています。 IR放射を吸収し、その結果として加熱され、上記の温度センサーによって検出されます。たとえば、Texas InstrumentsのTMP006センサーでは、内部の画像、一連の直列接続された熱電対から判断し、I2Cアクセスで信号を取得してデジタルに変換します。ホステスへの注意-このセンサーは、-40〜+125度の温度を±1.5度の精度で測定します。デバッグボード上のこのセンサーの所有者として、私はそれで少し遊んでいます。

アナログソリューションがあります。たとえば、ExcelitasのTPS333センサーには、サーミスタが内蔵されています。

図26：Excelitas TPS333センサー

もちろん、最も興味深いのは、非接触IRマトリックスです。これに基づいて、サーマルイメージャーが作成されます。たとえば、35ドルのOmron D6T-44L-06センサーは4x4ビットのマトリックスで、最大3メートルの距離で5〜50度の温度を測定できます。

図27：検出エリア

ここに、製造元からのクールなビデオプレゼンテーションがあります。

センサーの解像度はまあまあで、温度範囲はそれほど大きくありませんが、そのようなマトリックスには独自のニッチがあり、価格は個人的に満足しています。メモを取ることができます。

5.7さらに読む

6湿度センサー

制御された部屋にいる人の快適さはそれに依存するため、空気の相対湿度を測定せずに単一の空調システムを完成させることはできません。多くの人がコンフォートゾーングラフに精通していると思います。

図28：屋内快適ゾーン

ロシアでは、住宅の敷地内の温度と湿度の許容値は、SanPiN 2.1.2.2645-10「住宅の建物と敷地の生活条件に関する衛生的および疫学的要件」（付録2）によって規制されています。

湿度センサーのタスクは、空気の相対湿度を決定することです。相対湿度は、特定の温度での空気中の水蒸気の分圧と飽和蒸気の平衡圧の比です。

（11）

どこで

-空気中の水蒸気の分圧、

-飽和蒸気の平衡圧力。

空気の湿度を測定する方法はいくつかあります。

もちろん、乾式および湿式の温度計のアセンブリである古典的な乾湿計に言及する価値があります。その読み取り値の違いは、現在の空気湿度を非常に正確に決定します。 2つの温度センサーの使用を禁止する人はいません。そのうちの1つには生の脱脂綿が提供され、その読み取り値に基づいて湿度が計算されます。

図29：乾湿計

これに続いて、機械式湿度計があります。ここでは、脂肪のない髪やポリマーフィルムが敏感な要素として機能し、湿度に応じて長さが変化します。

しかし、出力に電気信号があるソリューションにもっと興味があります。

このようなセンサーは、測定された空気の蒸気分圧に比例した量の水分で飽和した吸湿性材料の容量または抵抗を変化させることにより、湿度に反応します。静電容量センサーは広く使用されています。したがって、それらのみを検討します。

図30：湿度センサーの構造。

6.1容量性出力を備えた湿度センサー

本質的に最も単純なセンサー。可変容量のコンデンサです。このようなコンデンサの容量は、主に湿度に依存します。しかし、最後の指標は気温ではありません。たとえば、Honeywell HCH-1000シリーズセンサーの場合、センサー感度は平均0.6 pF /％RHです。また、温度係数は0.16pF /度です。明らかに、容量の変化のグラフは次のとおりです。

図31：HCH-1000センサーの静電容量の変更

抵抗とは異なり。容量を測定するのははるかに困難です。正確なプロ用機器-イミタンスメーター（RLCメーター）は、最も安価な機器ではありません。

静電容量を測定する簡単な方法は、RCチェーンの充電率と放電を決定することです。必要な精度で充電時定数を決定し、抵抗の正確な抵抗を知ることで、コンデンサの静電容量を決定できます。

図32：コンデンサの充電

私たちの静電容量は300-360pFの範囲内で変化するため、1-2msの時定数を取得するには（ほとんどのタイマーとADCで簡単に捕捉できます）、抵抗が必要です。

。この測定方法では、コンデンサの現在の充電レベルを必要な精度で測定し、コンデンサが63.2％に達するまでの時間を記録する必要があります。信頼性の手順は数回繰り返すことができます。

安定性は低いものの、別の方法があります。周期を測定しているので、パルス信号を取得します。静電容量センサーが信号生成の周波数を担当するようにします。湿度の変化-出力周波数が変化します。バッファ要素D1.3の出力には、周波数がセンサーの静電容量に依存する信号があります。唯一の問題は、論理素子のしきい値電圧の精度です。ちなみに、HCH-1000センサーの精度は±2％です。

図32：単純なロジックジェネレーター

測定値の精度を上げるには、現在の温度測定値を考慮する必要があることを忘れないでください。

6.2電圧出力付き湿度センサー

エレクトロニクス業界はすでに私たちのために働いており、既製のアナログ信号を生成するデバイスを作成しました。そのようなセンサーの例は、±8％の精度のHoneywellのHIH-4010センサーです。

図33：電圧出力を備えた湿度センサー。 一般的なビュー

このようなセンサーの場合、グラフは湿度に対する出力電圧の依存性を示します。

図34：センサー出力電圧の湿度依存性

このようなセンサーでは、特定の温度での2つの異なる湿度値の出力電圧値を示す、各インスタンスに固有のキャリブレーション証明書がしばしば提供されます。プログラムでこのデータを示すだけで十分で、既製の較正済みセンサー値を取得します。

6.3デジタル出力を備えた湿度センサー

このカテゴリの最後のセンサーは、デジタル湿度センサーになります。

温度センサーのセクションで既にそれらの1つを調べました-これはSHT1xです。しかし、湿度と温度を組み合わせたセンサーは多数あり、正直なところ、デジタル的に純粋な湿度センサーに出会ったことはありません。

SHT1xセンサーからの湿度の計算に関する議論を続けます。このセンサーから受信したものは変換する必要があります。データシートには、必要な式が含まれています。

（12）

そして多項式係数：

図35：バージョンV4の多項式係数

相対湿度は温度に依存し、次の式に従って調整する必要があることに注意してください。

図36：温度の関数としての相対湿度の補正

7圧力センサー

圧力センサーは、測定対象の媒体の圧力を記録するセンサーで、空気、気体、液体などがあります。

タスクによっては、絶対圧力、大気圧に対する圧力、および差圧の両方、つまり2つの測定ポイント間の圧力差を測定する必要がある場合があります。

図37：圧力。

センサーの技術仕様では、さまざまな測定単位を指定できます。

水銀柱ミリメートル-mm Hg;
パスカル-Pa、Pa;
ポンド力/平方メートルインチ-Psi
バー-バー
物理的な雰囲気-atm

センサーの動作範囲を評価するには、1気圧が約1バールまたは100 kPaであることを忘れないでください。 760 mmHgおよび15psiに似ています。 2番目のpsiはkPaの後のセンサーで検出されるため、100psiは約7気圧であることを覚えておいてください。

ウィキペディアには、あるユニットから別のユニットへの正確な変換係数が記載された素晴らしいテーブルがあります。https : //ru.wikipedia.org/wiki/Units_of_measurement_pressure

圧力センサーは、2つのカメラの間に配置された敏感な要素です。サポート。絶対センサーでは、水晶への影響は片側のみです。フリースケールMPX2100センサー回路図のセクションを考えてみましょう。

図38：相対および絶対圧力センサーの設計。

この図は、圧力差によってその特性が変化する敏感な要素を示しています。センシング要素にはいくつかのタイプがあります。最も一般的なものの1つ-耐歪み性-変形の影響下での材料の抵抗の変化。多くの場合、シリコン単結晶がそのようなセンサーの材料として採用されています。問題の1つは、センサー抵抗の温度依存性ですが、原則として、すべてのセンサーには熱補償があります。

圧力の影響下にある別の敏感な要素は、静電容量を変化させます。湿度センサーのセクションで既に説明したように、この方法はその後の測定に問題があり、容量性出力の圧力センサーに出会ったことはありません。

圧電効果もあります。この場合、検知要素は特定の圧力の影響下で電圧を生成します。ところで、私はそのようなものを1つ持っています-それは個々の線量計ID-1のセットの充電ステーションZD-6に設置されています。充電器には、4つの並列接続された圧電素子と、圧電素子を押す機械式アンプが含まれています。圧力は回転ノブによって生成されます。線量計の充電のために180-250Vの電圧を生成するために使用され

ます図39：ID-1線量計

他の種類のセンサー-誘導、共振、その他がありますが、それらは非常に産業施設で見られるため、この記事では考慮しません。

7.1アナログ圧力センサー

アナログ圧力センサーの出力には、デバイスの測定経路に供給しなければならない電流または電圧レベルがあります。

少し脱線し、産業オートメーションへの接続用に設計された0-10Vおよび4-20mAの産業アナログ信号レベルのセンサーに言及しましょう。直ちに明らか厳しい工業用センサ：

図40：厳しい工業用圧力センサ

、セクション3に記載されているもの全てにしかし図封入類似：

図41：産業用センサ接続

分圧器を設定する、または入力に出力レベル対応するように、シャント抵抗を拾いますADCの範囲では、これらのセンサーは従来のマイクロコントローラーに接続できます。

平衡ブリッジ回路上に構築された圧力センサーでは、多くの場合、熱電対と同じ問題があります-多くのセンサーは、全範囲に合計約40mVを与えます。たとえば、MPX2100センサーの出力電圧の圧力依存性は次のようになります。

図42：センサーの出力電圧の圧力依存性

したがって、差動低ノイズADCとフォワードを装備しています。

一方、供給電圧に応じて、出力信号が0〜5 V、または0〜3.3 Vなどの、より便利な、しかしより高価なセンサーがあります。

これらには、40well Honeywellセンサーが含まれます。

図43：Honeywell 40PCシリーズセンサー

マイクロコントローラADCは、このようなセンサーの出力信号をデジタル化できます。しかし、0.2％の精度でのみ、市場での価値は約40〜50ドルです。

7.2デジタル圧力センサー

デジタル圧力センサーにより、より技術的な方法ですべてのデータを受信できます。その本質は同じです-ピエゾ抵抗ブリッジ、差動ADC、インターフェース。

LPS331 STMS MEMSセンサーが3x3x1mmのケースの中でどのように見えるかを以下に示し

ます。図44：LPS331圧力センサーのブロック図

すべてのデジタル圧力センサーには、温度センサーが組み込まれているため、温度補償があります。この特定の圧力センサーの感度は±200Paです。もちろん、このセンサーからの温度も±2度の精度で入手できます。

圧力センサーの用途の1つは、気圧高度計、つまり相対高度の決定です。ご存知のように、高さが変化すると、空気圧が低下します。そこで、地球の高さをゼロに設定して、上に移動するか下に移動して、移動した経路を判断します。

気圧の高さ依存性は次のとおりです：

図45：気圧の高さ依存性

再生するために、CC430F6137コントローラーに基づくテキサスインスツルメンツのEZ430クロノス時計デバッグキットをお勧めします。ハブにはこの時計の説明があり、

4ドル相当のデジタル圧力センサーBosh BMP085が内蔵されています。30-110kPaの作業範囲と5x5x1.2mmの寸法があります。

図46：数分後、4500が表示されます。メートル。

8ガスセンサー

前述のセンサーを使用すると、自分で感じることができるものを測定できます。しかし、気づかないうちに私たちを殺すことができる何か他のものがあるかもしれません。

図47：ガス存在センサー

これはガスです。CO2、CO、メタン、プロパン、アンモニア、水素、エタノール、冷媒、その他のガス。これらのほとんどは臭いに問題がありますが、深刻な結果につながります。

特定のタイプのセンサーは通常、特定の1つのガスのみを対象に設計されているため、異なるガスを制御する場合は、複数のセンサーを使用する必要があります。

さまざまなFIGAROセンサーが最も広く使用されているため、一酸化炭素センサーTGS2442の例を使用して検討します。このようなセンサーの敏感な要素は酸化スズ（SnO2）です。センサーは多層構造です。

図48：ガスセンサーの構造

まず、ターゲットガスを通過させ、他のガスの影響を低減する選択フィルターがあります。その後、4つの接点についての感知素子を備えたカメラがあります。 2つの接点はヒーター用で、さらに2つの接点は抵抗器用で、抵抗値はガス濃度に依存します。

センサーの接続は次のとおりです。

図49：ガスセンサーの接続

濃度を決定する精度は、加熱時間と信号取得時間の精度に直接依存します。両方の回路は、敏感な材料の過熱を防ぐために短時間電力が供給されます。

4.8 Vの電圧が14 msの期間、1秒ごとにヒーターに供給されます。平均ヒーター電流は200mAです。ヒーターがオンになる5ミリ秒前に、メーター回路が5ミリ秒間オンになり、抵抗が測定されます。

図50：ガスセンサーの動作サイクル

最終ガス濃度は、100プロプロミルのガス濃度での抵抗に対する測定抵抗の比に応じて決定されます。この関係は、次のグラフではっきりとわかります。

図51：ガス感度。 Ro = 100 ppm COでのRs

PS

この部分は実用的というよりも参考になりましたが、この資料が将来の気候制御システム用のセンサーの種類の選択に役立つことを願っています。

センサーに関するシリーズの最後の部分では、電流センサーと電圧センサーについて説明します。この知識は、自家製の電気メーターを作成し、エネルギーパラメーターを計算するときに適用されます。私は、周波数、無効電力と有効電力、力率、高調波歪みの問題を別のサイクルに分解して分析することにしました。

センサーとマイクロコントローラー。 パート2.気候制御

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