Přesnost je málo. Při výběru senzoru vlhkosti si proklepněte i drift

Existují čidla, která prostě jen měří. Na tom ještě není zase tolik zvláštního, pokud bychom zde ovšem neměli snímače, které si navíc velmi dobře uvědomují, že od okamžiku, kdy sjely z výrobní linky, začíná plynout čas, který v jejich prospěch rozhodně nepracuje, a hodlají to naštěstí aktivně změnit. Přesně to je i případ chystaných novinek z dílny Texas Instruments zkoumajících relativní vlhkost dohromady s teplotou. Výrobce se nebrání ani náročným podmínkám v automobilovém průmyslu, zatímco u svých přesných obvodů pro letošek slibuje i další varianty [1].

Nestárnou jen lidé

O vlivu vlhkosti, stejně jako škodách, které dokáže napáchat, netřeba dlouze diskutovat. Vůbec proto nepřekvapí, že se s integrovanými obvody pro její neustálé vyhodnocování setkáváme prakticky na každém kroku. Možná až tak často, že již volbě vhodné součástky nevěnujeme zase takovou pozornost, jakou si ve skutečnosti zaslouží. Jednou z věcí, které zde rozhodně nesmíme přehlížet, bude i „zub času“ a jeho podpis na exponovaném snímacím prvku. Jeho nepřetržité vystavení vzdušné vlhkosti, stejně jako těkavým organickým látkám, které zde bývají přítomné, totiž způsobuje ujíždění přesnosti systému, který se tak postupně dostává mimo svou výchozí specifikaci. Zařízení pak často bývá nutné vyřadit z provozu a čidlo buď nahradit, nebo alespoň kalibrovat. Pokud si ovšem takovou potřebu někdo vůbec přizná.

Obr. 2 Neustálé náhrady součástek, jejich kalibrace, nebo spíše vlastní technologie pro korekci driftu? Obvody HDC3020 a HDC3020-Q1 zde mají jasno [1]

Hra čísel v jednotkách procent

K nejdůležitějším parametrům u senzorů vlhkosti patří vedle jejich přesnosti také dlouhodobý drift. V současné nabídce (zvláště pak u kapacitních snímačů) považujeme za jakýsi standard přesnost 2 až 3 % RH, maximálně do 4 % RH. Tím ale myslíme vlastnost v „čase nula“, tedy ještě předtím, než se dostane součástka do provozu, a především pak bez uvážení „škodlivého“ dlouhodobého driftu. Ten se přitom u stejného typu čidla obvykle pohybuje mezi 0,25 až 0,5 % RH za jeden rok [2].

To ještě nemusí vypadat zase tak strašně, zvláště když uvážíme odporové prvky, které zde ročně „ujedou“ zhruba o jedno procento. Ale i tak je nutné v úhrnu za deset let počítat s posunem o celých pět (!) procent RH, což v takovém světle najednou představuje docela výrazný zdroj odchylky. Jak na to asi budou reagovat systémy v automobilech nebo např. elektrické spotřebiče, které by (pokud si to výrobce samozřejmě sám přeje) měly jinak spolehlivě fungovat i v dekádě s pořadovým číslem dva?

Obr. 1 Pokud při výběru senzoru vlhkosti započítáme pouze jeho výchozí přesnost, dostaneme sice líbivá čísla, ta se nám ovšem z dlouhodobého hlediska mohou hezky vymstít. Vliv driftu proto není radno podceňovat. S novinkami od TI na tom ale nebudeme zase tak špatně, dokonce ani po deseti letech provozu [2]

Z výsledků možná zamrazí

Pokud si tedy oba příspěvky, tedy jak samotnou přesnost senzoru vlhkosti, tak i jeho drift sledovaný v dlouhodobém horizontu, sečteme, můžeme se v úhrnu za jedno desetiletí vyšplhat až na osm procent – přesně jak to zachycuje obr. 1. Představme si kupříkladu ledničku. Zapříčiní-li zmíněné ujíždění parametrů při čtení úrovně vlhkosti mylné výstupy, poběží kompresor zbytečně, takže klesne i celková efektivita provozu. A to už vůbec nemluvíme o neblahém dopadu na životnost takového stroje [2].

V praxi ale může jít o mnohem větší škody, např. během skladování a přepravy léčiv nebo zboží, které rychle podléhá zkáze. Jaká čidla zde vybereme pro bezdrátově komunikující sledovací zařízení či zapisovače dat napájené z baterií, které mají za úkol nepřetržitě sledovat jak teplotu, tak i vlhkost? A co teprve v případě palubní elektroniky ve vozidlech?

Aby se kamera nemlžila

Ve společnosti Texas Instruments na zmíněné požadavky koncem června zareagovali prvními součástkami HDC3020 a HDC3020-Q1 nové rodiny snímačů vlhkosti, které chtějí oslovit nejen svou přesností, ale také spolehlivostí a nízkou vlastní spotřebou – to vše ve spojitosti s vlastní ochranou snímacího prvku [3]. Jak ostatně vyplývá ze samotného označení, novinky se nebrání ani náročnějším okolním podmínkám provázaným zvláště s automobilovým průmyslem. Zde všude pak mohou vývojáři poprvé těžit z přítomných mechanismů, s nimiž systém koriguje svůj drift, jehož příčina může spočívat v přirozeném stárnutí struktury, namáhání okolními podmínkami zasahujícími až do extrémů a třeba též přítomnosti znečišťujících látek.

Obr. 3 Typické zapojení s novými senzory vlhkosti a teploty od společnosti Texas Instruments v systémech HVAC [3]

Analogově, ale i s krytím

Integrovaný obvod HDC3020 vybavený vlastní ochranou před kondenzací s vyhřívacím členem zde může vývojářům při zkoumání relativní vlhkosti nabídnout typickou přesnost ±1,5 % (platí při pokojové teplotě v rozsahu od 10 do 90 % RH, na okrajích max. 2 % RH) společně s dlouhodobým driftem na úrovni menší než 0,21 % RH za jeden rok. Kapacitní součástka zde jinak funguje v rozsahu od nuly až do 100 %, zatímco spolupracující teplotní čidlo dále uvažuje provozní rozsah od –40 až do +125 °C s typickou přesností ±0,1 °C.

Systém komunikuje pomocí číslicového rozhraní I²C se čtyřmi volitelnými adresami a využívá zde napájecí napětí v rozmezí od 1,62 do 5,5 V. Celek přitom chrání pouzdro typu WSON s osmi vývody zabírající 2,5 × 2,5 mm. Varianty obvodů řady HDC302x s jedničkou a dvojkou na svém konci mají rovněž pamatovat na doplňkovou ochranu, kterou využijeme buď dočasně – při samotné výrobě, nebo zejména v ostrém provozu, zde již natrvalo a s membránou zajišťující krytí IP67. Výrobce pak při odběru jednoho tisíce kusů senzorů počítá s cenou již od 1,65 dolaru. Dlužno však dodat, že vývoj těchto součástek v době psaní článku stále trvá, podobně jako slib, že další varianty, pokud jde o analogový výstup či nezbytné ochranné prvky, budou k dispozici do konce letošního roku.

Obr. 4 Pohled na vývojovou desku HDC3020EVM zasazenou do grafického uživatelského rozhraní [3]

Když se ještě jednou vrátíme k výše nastíněné modelové situaci z obr. 1, budeme už s novými součástkami HDC3020 schopni kopírovat spíše modrou závislost, protože si v dlouhodobém horizontu desíti let polepšíme až o polovinu – z osmi procent relativní vlhkosti totiž po započítání driftu nyní klesáme až na čtyři.

robenek@dps-az.cz