IT8347864A1 - Igrometro elettronico con circuito di compensazione di temperatura - Google Patents

Description

4/ab4 Ab3-CSIBO/8V3-Italy ADDJAH SI3-B5 982

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

"IGROMETRO ELETTRONICO CON CIRCUITO DI COMPENSAZIONE

DI TEMPERATURA"

della ditta australiana; COMMONWEALTH SCIENTIPIC AND INDUSTRIAL RESEARCH ORGANIZATION

con sede in CAMPBELL, AUSTRALIA

Riassunto

Un igrometro utilizza un sensore capacitivo sen_ sitile all'umidit? a guisa di un dispositivo di in__ gresso attivo in un oscillatore a bassa frequenza.

La risp?sta di temperatura non uniforme del sensore viene compensata tramite un circuito di compensazio^ ne di temperatura che comanda la tensione di alimen__ tazipne dell'oscillatore a bassa frequenza. L'uscita dell'oscillatore a bassa frequenza seleziona i segna^ li generati da un oscillatore ad alta frequenza per un periodq predeterminato che viene derivato dal se__ gnale generato dall'oscillatore a bassa frequenza.

Il segnale selezionato viene contato da un contatore, il cui conteggio di uscita viene convertito, tramite un circuito programmabile a memoria protetta, in un segnale che ? direttamente proporzionale all'umidit? relativa in porrispoadeuza dml sensore. fyuest'ultimo segnale pu? venire usato per pilotare upa unit? d? visualizzazione digitale.

Desorizione

Canapo tecnico

La presente invenzione riguarda strumenti per misurare il tenore in umidit? dell?aria e di altri gas. Tali strumenti vengono chiamati igrometri.Se essi impiegano termometri a bulbp umido e secco, e_s si sono noti come psicrpmetri.

Tecnica anteriore

Probabilmente la forma meglio nota di paieroine^ tro ? la combinazione di mercurio a bulbo umido e*-.-? secco in termometri di vetro. In questa forma di igrometro, un'evaporazione di umidit? dalla regione del bulbo umido provoca un abbassamento di temperati* ra di tale bulbo, il quale viene registrato dal ter? mometro a bulbo secco. Dalla osservata differenza di temperatura registrata dai due termometri, pu? veni^ re determinata l?umidit? assoluta o relativa del gas in cui lo strumento ? collocato (usualmente aria).

Per risultati precisi con lo psicrometro-, l'aria od il gas che viene sorvegliato dovrebbe avere una ve_ locit? di circa 5 fino a 7 m/secondo nel passare sul bulbo umido. Di conseguenza, questi strumenti sono co munemente forniti di un tubo attraverso i}.quale un piccolo ventilatore assiale aspira il gas ad una por tata che assicura che il gas scorra sul bulbo umido alla velocit? richiesta. Normalmente il bulbo umido ? circondato da uno stoppino che viene continuamene ' te inumidito tramite un serbatoio d?acqua.

Sono stati fatti tentativi per migliorare la precisione di psicrometri impiegando circuiti elet^ tronic?. Un esempio di questo approccio ? fornito dallo psicrometro descritto nella trattazione della domanda di brevetto australiano pubblicata n? 74448/81. Tale strumento impiega due elementi di platino resi_ stivi a guisa di termometri di rilevamento di tempe^ natura. Ciascun elemento resistivo di platino forma un braccio di un rispettivo ponte di bilanciamento a corrente continua. Per ottenere una precisione ac_ cettabile e per rendere lineare la risposta dello strumento, un circuito elettronico modella una equa^ zione psicrometrica (che mette in relazione la umi__ dit? relativa con le temperature di bulbo umido e secco) e converte la differenza di tensione fra i due ponti in un segnale di uscita che indica l'umidit? relativa. Il segnale di uscita ? progettato in modo da variare sostanzialmente in maniera lineare con la umidit? relativa..

Questo psicrometro elettronico ? stato riscontra, to adatto all'impiego in un ampio campo di applicazijj ni dove la precisione della misura dell'umidit? rela_ tiva non ha bisogno di essere migliore di 2 fino a 3%, e quando l'umidit? relativa ? nel campo di circa 20$ fino a circa 90% entro un campo di temperature del bulbo secco di 0?C fino a 50?G. Una migliore pre^ cisione pu? venire ottenuta quando non ? richiesto che questo strumento operi a temperature inferiori a 20?C.

Distaccandosi dalla termometria a bulbo umido e secco, per costruire igrometri sono state usate sonde capacitive dipendenti dall'umidit?. Tali sonde sono descritte da S. Talceda nell'articolo intitolato "Capa citive humidity element using polystyrene thin film formed by plasma polymerisation", che ? apparso nel volume 20, n? 7 (luglio 1981) del "Jspanese Journal of Applied Physics", alle pagine 1219 fino a 1224?. In breve, questa sonda comprende un sensore capacitivo sotto forma di un sottile diaframma polimerico che ? interposto fra contatti permeabili all'acqua. Il dia__ framma polimerico ? impregnato con un sale igrosco__ pico. Il tempo di risposta di questo tipo di sonda ? di circa 4 fino a 5 secondi. Tuttavia tali sonde hanno una risposta non lineare a cambiamenti di umi^ dit?, ed inoltre la loro risposta varia a seconda del^ la temperatura ambiente. GXi igrometri impieganti tali sonde usano circuiti sofisticati e costosi per eliminare questi svantaggi di tali sonde, oppure es^ si incorporano uno o pi? condensatori con un coeffi^ dente capacitivo di temperatura che ? opposto a quel^ lo della sonda. Sebbene l'approccio con condensatore sia meno costoso, ? estremamente difficile trovare una combinazione di condensatori aventi esattamente il giusto coefficiente opposto, e l'aggiunta di una ca__ pacit? supplementare degrada ulteriormente la linea^ riti del1*igrometro.

Spiegazione dell'invenzione

Un obiettivo della presente invenzione ? di for_ n?re un dispositivo misuratore di umidit? che abbia una precisione che ? almeno altrettanto buona come quella di strumenti attualmente impiegati, abbia una risposta rapida a variazioni di umidit? relativa, ab_ bia un funzionamento stabile- entro un campo accetta^ bilmente ampio di temperatura ambiente e sia di costru zione relativamente economica.

Questo obiettivo viene raggiunto adottando una sonda capacitiva dipendente dall'umidit? e compensan^ do la sua variazione in risposta alla temperatura me_ diante impiego di un circuito compensatore di tempe^ ratura che varia la tensione di alimentazione d? un oscillatore a <">bassa frequenza che ha la sonda come suo elemento attivo. Inoltre ? previsto un circuito di linearizzazione digitale, producendo cos? uno strumento compatto che ha una risposta lineare a variazioni di umidit? relativa.

Secondo la presente invenzione? un igrometro comprende;

a) un sensore capacitivo sensibile all'umidit?; b) un oscillatore a bassa frequenza;

c) un circuito compensatore di temperatura; e

d) un oscillatore ad Sta frequenza; caratterizzato da ci? che;

i) l'oscillatore a bassa frequenza ? sensibile a cam biamenti di capacit? del detto sensore;

ii) il circuito compensatore di temperatura ? atto a regolare la tensione di alimentazione dell'oscilla tore a bassa frequenza e con ci? compensare variazio^ ni, dovute a temperatura, della risposta del detto sensore ;

iii) ? prevista una porta per selezionare i segnali provenienti dall'oscillatore ad alta frequenza per periodi predeterminati, derivati dal segnale proveniente dall'oscillatore a bassa frequenza; iv) un contatore ? atto a contare il numero di oscil lazioni nel segnale proveniente dall*oscillatore ad alta frequenza durante ciaspun detto periodo predeterminato; e.

v) un circuito di aggiustamento ? atto/convertire il segnale di uscita proveniente dal detto contatore in un segnale che indica l?umidit? relativa nella regione del detto sensore*

Il segnale prodotto dall'azione del circuito di aggiustamento pu? venire usato per attuare un di^ spositivo visualizzatore, quale un?indicazione visi^ va di umidit? relativa e, oppure pu? venire memori zato o registrato, in maniera adatta*

Questi ed altri aspetti della presente iryven^ zione si renderanno pi? evidenti dalla seguente de__ scrizione di una realizzazione dell'invenzione? in cui verr? fatto riferimento ai disegni annessi.

Breve descrizione dei disegni

la figura 1 ? uno schema a blocchi di una dispc) sizione di misura che incorpora la presente invenzio. ne; e

la figura 2 ? un grafico che mostra la relazio_ ne fra risposta di sensore capacitivo e umidit? rela tiva,che.viene usato per scopi di taratura.

Descrizione dettagliata delle realizzazioni illustrate Il sistema di misurazione illustrato nella figu ra 1 ? progettato per. fornite i*n'inforniciepe rjgu&r do sia alia temperatura ambiente, che all'umidit? re_ lativa. La parte di misurazione di umidit? relativa del sistema illustrato utilizza la presente inveoziq_ ne, l'elemento sensibile ad umidit? del circuito es__ senso la sonda capacitiva IO del tipo sopra descrit^ to.

di

Il sensore 10 forma il dispositivo/ingresso at^ tivo per un oscillatore 11 a bassa frequenza che ? preferibilmente un oscillatore CMOS. La frequenza di uscita dell'oscillatore 11 varia .quando varia la ca__ pacit? del sensore 10, cos? che la frequenza di usci^ ta dell'oscillatore 11 si altera a cambiamenti di umi. dit? nella vicinanza della sonda 10.

Come sopra notato, la risposta della sonda 10 dipende dalla temperatura. Il circuito 11 compensa^ tore di temperatura viene quindi usato per comandare l'uscita dell'oscillatore 11,cos? che viene evitata la variazione di risposta al variare della temperatu^ ra ambiente. La compensazione viene effettuata varian do la tensione di alimentazione (V0C) dell'oscillato^ re 11. Sebbene per tale scopo possa venire usato qual^ siasi adatto circuito compensatore di temperatura, quello illustrato nella figura 1 impiega un trasdut^ tore 12A di temperatura integrato 'a due terminali con un amplificatore operazionale a bassa deriva, collegato come mostrato nella figura. Il trasdutto^ re 12A ? collocato vicino al sensore 10,

La compensazione di temperatura viene effettuo^ ta come segue. La .capacit? di porta dell'oscillatore II, entro un piccolo campo (tipicamente da 6 a 10 Volt) ? una funzione lineare della tensione VQC di alimentazione. (Ci? ? stato notato da T.P. Redfera ? nel suo articolo su caratteristiche della famiglia CMOS, che ? comparso alle pagine 220 fino a 225 del libro ^COHS National Data ???&'*', che ? stato pubbli^, cato nel 1975)? Se la tensione di alimentazione v?.e_ ne variata entro questo campo, la capacit? efficace di porta dell'oscillatore 11 e quindi la sua capaci^ t? totale vengono fatte Tarlare dando luogo ad un cambiamento proporzionale nella frequenza di uscita dell'oscillatore. La relazione fra la tensione di alimentazione e la frequenza pu? venire determinata sperimentalmente. Il guadagno dell'amplificatore nel circuito 12 compensatore di temperatura pu? venire re golato in modo da fornire la compensazione iniziale. La variazione di VCC, che risulta da cambiamenti di temperatura intorno al trasduttore 12A, assicupa che la compensazione venga mantenuta quando cambia la temperatura ambiente.

In una tipica disposizione circuitale, la capaciti del sensore 10 varier? da 100pP a 110 pF quando l'uai^ dit? relativa cambia da 0% a 100%. In un prototipo del^ la presente invenzione, in cui ciascun resistor? E dell*oscillatore 11 era da 200 Kohm, 1'oscillatore n aveva una frequenza di uscita che variava da 244Q9 Hz a 2? 950 Hz, ovvero 35,4-Hz per un cambiamento di 1% nella umidit? relativa.

Un segnale di uscita dall'oscillatore 11 a bassa frequenza viene inviato ad un circuito 14-di divisio__ ne per 100,la cui uscita ? collegata ad un ingresso di una porta 15. l'altro ingresso della porta 15 ? il segnale di uscita di un oscillatore 13 ad alta frequenza, L'oscillatore 13 ad alta frequenza ? ti^ pieamente un oscillatore CMOS controllato al quarzo (un tale oscillatore ? mostrato nella figura 1) aven^ te una frequenza di uscita di circa 4-MHz. i Lo stp?^. mento prototipo che ? stato sopra menzionato aveva un oscillatore ad alta frequenza che operava a 3,86 MHz).

L'uscita della porta 15 ? un flusso di oscilla z?oni ad alta frequenza trattato a porta durante eia scun semiciclo positivo dell'uscita del circuito divi_ sore 14. Queste oscillazioni ad alta frequenza vengono contate dal contatole 16 che ? pref?ribiImepte contatore a codice binario decimale ad ingressp se., riaie, uscita parallela. Il conteggio di uscita del contatore 16 ? direttamente proporzionale alla capa cita del sensore 10 e pertanto varia quando cambia l?umidit? relativa in vicinanza del sensore IO.

Poich? il sensore 10 non ha una risposta linea re a Cambiamenti di umidit?, ? necessario convertire il conteggio di uscita del contatore 16 in un valore che sia dipendente linearmente dalla umidit? re^dti^ va. Questa conversione viene effettuata mediante un circuito 17 di aggiustamento che ? tipicamente una memoria programmabile protetta (PROM). Il circuito 17 di aggiustamento ? essenzialmente una tabella di correzione ovvero "tabella di ricerca<1>?, memorizzata nel PRGM. Il conteggio di uscita del contatore 16 forma il codice di indirizzo per il PROM, ed il PROM fornisce Un segnale di uscita che ? dirattamen te proporzionale all?umidit? relativa che corrispon.. de al "codice di indirizzo". I segnali specifici di umidit? relativa, che vengono generati dal PROM 17 debbono venire inseriti a programma in esso impie_ gando un processo di taratura che implica una veri^ fica dell?uscita del contatore 16 quando la sonda 10 ? immediatamente al 41 sopra di una serie di sola zioni saline sature standard. IJn esempio delle Ipttu^ re che vengonoottenute mediante tale processo ? mo^ strato nella figura 2. La curva tracciata nella fi^ gura 2 forma cosi la base della tabella <1f>di ricerca'* che ? memorizzata nel PROM 1?.

Il segnale di uscita del circuito 17 di aggiu^ stamento viene usato per pilotare un visualizzatore ma

digitale 18,/esso potrebbe anche venire memorizzato in qualsiasi maniera adatta (per esempio mediante stampa o registrazione su carta o nastro magnetico? oppure registrazione su un disco magnetico oppure tracciamento su un registratore a scheda) oppure usa? to per attivare un allarme (in un sistema in cui oc__ corre agire se l'umidit? relativa supera o cade al di sotto di un valore predeterminato).

Nella realizzazione mostrata nella figura 1, ? previsto un temporizzatore 19 per aggiornare la ve^ locit? di conteggio del contatore 16 ogni quattro se__ cond? (potrebbero naturalmente venire usati altri periodi di tempo). Ci? significa che i numeri presen^ tati dal visualizzatore 18 vengono anche essi aggior_ nati ogni 4 seondi, ci? fornendo una indicazione esen te da sfarfallamento della umidit? relativa in corri__ spondenza della sonda 10.

Un altro aspetto, presente nella realizzazione che ? illustrata nella figura 1 ma che non forma una parte-essenziale della presente invenzione,: ?.la.vi_ sualizzazione simultanea sia dell'umidit? che della temperatura ambiente. La visualizzazione della t?m__ peratura viene fornita da una unit? 20 di visualiz_ zazione che viene comandata dall'uscita di un con

21,

vertitore analogico-digitale/ scalato in modo adat? to. Il segnale verso il convertitore 21 viene deri. vato dall'uscita del circuito 12 compensatore di tem peratura.

Uno strumento avente gli aspetti del sistema illustrato nella figura 1 ? stato costruito e riscon. trato produrre letture di umidit? relativa che erano esatte entro 2% su un campo di umidit? relativa di 0 fino a 90%, mentre la temperatura ambiente variava da 0?C a 90?C.

Applicabilit? industriale

L'igrometro della presente invenzione pu? venire usato in impianti di condizionamento d'aria ed in qual, siasi altra localit? dove verrebbe usato un convenzio_ naie igrometro o psicrometro. Esso ? particolarmente utile in situazioni dove ? richiesta una risposta va pida e dove ? opportuno collocare una disposizione termometrica a bulbo bagnato e secco. Industrie che

r:<?>?.

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Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI -

   1. Igrometro comprendente;

   a) un sensore capacitivo (10) sensibile ad umidit?; b) un oscillatore (11) a bassa frequenza;

   c) un circuito (12) compensatore d? temperatura; e d) un oscillatore (1?) ad alta frequenza; caratterizzato da ci? che;

   i) l?oscillatore (11) a bassa frequenza ? sensibi_ le a cambiamenti della capacit? del detto senso^ re ;

   ii) il circuito (12) compensatore di temperatura ? atto-*a-regolare la tensione di alimentazione e dell?oscillat?re (11) a bassa frequenza/con ci? compensare variazioni, dovute a temperatura, della risposta del detto sensore (10);

   iii) ? prevista una porta (15) per selezionare i gnsli provenienti dall*oscillatore (13) ad alta frequenza per predeterminati periodi di tempo, derivati dal segnale proveniente dall'oscillato^ re (11) a bassa frequenza;

   iv) un contatore (16) ? atto a contare il numero di oscillazioni nel segnale proveniente dall?oscil^ latore (15) ad alta frequenza durante ciascun detto periodo predeterminato; e

   v) un circuito (1?) di aggiustamento ? atto a con^ vertire il segnale di uscita del contatore (16) la

   in un segnale che indica/umidifc? relativa nella regione del detto sensore (10).

   2. Igrometro secondo la rivendicazione 1, carafcte_ rizzato inoltre da ci? che il detto circuito (12) com pensatore di temperatura comprende un trasduttore (12A) di temperatura integrato a due terminali, ed un amplificatore operazionane a bassa deriva.

   5. Igrometro secondo la rivendicazione 2, in cui l?uscita del circuito (12) compensatore di tempera^ tura ? inoltre collegata, tramite un convertitore analogico-digitale (21) ad una unit? (20) di visualiz zazione di temperatura.

   4. Igrometro secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato inoltre da ci? che:

   a) l'uscita dell?oscillatore (11) a bassa frequen_ za viene alimentata ad un circuito (14) riivisc_ re di frequenza, ed il segnale del circuito (14) divisore di frequenza forma un primo ingresso ad una porta (15); e

   b) l'oscillatore (13) ad alta frequenza comprende un oscillatore CMOS controllato al quarzo, la cui uscita forma un secondo ingresso alla porta (15).

   5* Igrometro secondo qualsiasi delle rivendieaziq^ ni precedenti, caratterizzato inoltre da ci? che: a) il contatore (16) ? un contatore a codice bina_ rio decimale con ingresso seriale ed uscita pa__ rallela; e

   b) il detto circuito (17) d? aggiustamento ? un circuito a memoria protetta programmabile, con^ tenente un'informazione di taratura che ? stata determinata sperimentalmente, il conteggio di uscita del contatore (16) fornendo il codice di int?izzo per la memoria, e la memoria ? atta ad generare un segnale di uscita avente una gran dezza che ? direttamente proporzionale all<e>umi__ dit? relativa in corrispondenza del detto senso_ re (10).

   6. Igrometro secondo la rivendicazione 5? la cui un circuito temporizzatore (19) ? atto a comandare il ritmo di aggiornamento del conteggio d? uscita del contatore (16).

   7 Igrometro secondo qualsiasi delle rivendicazio^ ni precedenti, caratterizzato inoltre da ci? che il segnale di uscita del detto circuito (17) di aggiu^ stamento ? collegato ad uno o pi? fra:

   a) una unit? (20 di visualizzazione digitale;

   b) un nastro o disco magnetico di registrazione; c) un registratore a scheda; e

   d) un allarme.

   p.p. COMMONWEALTH SCIENTIFIC AND INDUSTRIAI RESEARCH ORGANIZATI0N

   ?? S.P.A.